نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

• سینا شامخی ¹
• محمدحسین میران‌بیگی ²
• علی گویا ³
• بهاره آذریان ⁴

¹ دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

² دانشیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

³ استادیار دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

⁴ آزمایشگاه پروتیین/شیمی‌مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی، انستیتو پاستور ایران

چکیده

الکتروفورز ژل دو بعدی یکی­از روش‌های پایه و پرکاربرد در علم پروتئومیک است. درین روش، پروتیین‌های موجود در نمونه­ی اوّلیه براساس دو ویژگی وزن مولکولی و بار الکتریکی در دو بعد ازهم جدا شده و تصویری از لکّه­های پروتیینی می­دهد. به دلیل تعداد زیاد لکّه‌های پروتیینی موجود دریک ژل نمونه که نزدیک به هم قرار دارند، پردازش تصاویر فرآیندی پیچیده است. وجود منابع نویز و آرتیفکت هم­چون شکستگی‌ها، آرتیفکت‌های ناشی­از رنگ‌آمیزی، رگه‌ها و موارد دیگر، جداسازی نواحی تصاویر با چالش‌های گوناگونی مواجه است. درین پژوهش، برپایه­ی ویژگی‌های مکان/مقیاس، مشتقّات مرتبه­ی دوم و مقادیر ویژه­ی هیشین تصویر، برای بهبود لکّه­های پروتیینی و جداسازی نواحی لکّه از پس­زمینه، فیلتری جدید ارائه شد. تصاویر الکتروفورز ژل دو بعدی ناحیه­بندی شده و مکان و تعداد لکّه­های موجود در تصاویر، با این فیلتر بهتر تشخیص داده­شد. الگوریتم پیشنهادی توانایی جداسازی نواحی لکّه­ی پروتیینی را با نرخ TPR برابر 6_/78 درصد و با نرخ FPR برابر 9_/14 درصد از نواحی پس­زمینه دارد. درحالی که آستانه گذاری اوتسو و حوضچه­ی آبریز به ترتیب: با نرخ­های 4_/71 درصد و 7_/25 درصد، و با نرخ­های 9_/53 درصد و 1_/8 درصد جداسازی می‌نمایند. بررسی تعداد لکّه­های صحیح استخراج شده در روش پیشنهادی، می­تواند با دقّت 6_/83 درصد و با نرخ TPR برابر 1_/81 درصد محل قرار‌گیری لکّه­ها را تشخیص دهد. در صورتی که روش­های اوتسو، حوضچه­ی آبریز و مایلون به ترتیب:  با دقّت 4_/65 درصد و با نرخ برابر 3_/78 درصد، دقّت 7_/27 درصد و با نرخ 2_/68 در‌صد، دقّت 0_/74 درصد و با نرخ 7_/72 در‌صد، مکان لکّه­ها را تشخیص می‌دهد. نتایج روش پیشنهادی، دقّت و توانایی بالاتری را در ناحیه‌بندی تصویر، نسبت به روش­های دیگر نشان داد.

کلیدواژه‌ها

• الکتروفورز ژل دو بعدی
• تشخیص لکّه
• پروتیین
• فیلتر

موضوعات

• پردازش تصاویر پزشکی

عنوان مقاله [English]

Development of a new filter for Protein Spot Segmentation in Two Dimensional Gel Electrophoresis Images

نویسندگان [English]

• Sina Shamekhi ¹
• Mohammad Hossein Miranbaygi ²
• Ali Gooya ³
• Bahare Azarian ⁴

¹ Faculty of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

² Faculty of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

³ Faculty of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

⁴ Protein-chemistry Lab., Biotechnology Research Center, Pasteur Institute of Iran, Tehran, Iran

چکیده [English]

Two-dimensional gel electrophoresis (2DGE) is a basic and widely used method in proteomics. In this method, mixtures of proteins are separated due to the differences in their molecular weight and isoelectric points and a final image obtained from the separated protein spots is created. Due to the large number of the protein spots in a 2DGE image and the importance of separation of overlapping proteins, the image processing of these images is a complex process. 2DGE images pose various noises and artifacts such as cracks, staining artifacts, and streaks that affect the reliability of the analysis. In this work, we have proposed a novel spots filter based on the scale-space second order structural Hessian and its eigenvalues for enhancing and separating the spots from the background. Furthermore, in this work, 2DGE images have been segmented and the locations of the spots have been detected. To evaluate and compare the proposed method, we have implemented three methods: Otsu thresholding, Watershed transform, and the method proposed by Mylona et al. Based on the regional spot volume evaluation, the TPR and FPR of the proposed method are 78.6 and 14.9, the TPR and FPR of the Otsu method are equal to 71.4 and 25.7 percent, and the TPR and FPR of the Watershed algorithm are 53.9 and 8.1 percent, respectively. Also, in the spot counts evaluation, the Precision and TPR of the proposed method are equal to 83.6 and 81.1 percent, and the Precision and TPR of Otsu method are 65.4 and 78.3, respectively. The Watershed transform has detected the spots with Precision and TPR equal to 27.7 and 68.2 percent, and the Precision and TPR of the method proposed by Mylona et al. are 74.0 and 72.7 percent, respectively. The results reveal the accuracy and superiority of the proposed method.
 

کلیدواژه‌ها [English]

• Two-dimensional gel electrophoresis
• Spot detection
• Protein
• Filter