3D Quantitative Analysis of Cell Nuclei Based on Digital Image Cytometry

디지털 영상 세포 측정법에 기반한 세포핵의 3차원 정량적 분석

Significant feature extraction in cancer cell image analysis is an important process for grading cell carcinoma. In this study, we propose a method for 3D quantitative analysis of cell nuclei based upon digital image cytometry. First, we acquired volumetric renal cell carcinoma data for each grade using confocal laser scanning microscopy and segmented cell nuclei employing color features based upon a supervised teaming scheme. For 3D visualization, we used a contour-based method for surface rendering and a 3D texture mapping method for volume rendering. We then defined and extracted the 3D morphological features of cell nuclei. To evaluate what quantitative features of 3D analysis could contribute to diagnostic information, we analyzed the statistical significance of the extracted 3D features in each grade using an analysis of variance (ANOVA). Finally, we compared the 2D with the 3D features of cell nuclei and analyzed the correlations between them. We found statistically significant correlations between nuclear grade and 3D morphological features. The proposed method has potential for use as fundamental research in developing a new nuclear grading system for accurate diagnosis and prediction of prognosis.

암세포 조직 영상 분석에서 유효한 특성값 추출은 암세포 등급별 분류를 위한 중요한 과정이다. 본 논문에서는 디지털 영상 세포 측정법 기반 세포핵의 3차원 정량적 분석 방법을 제안한다. 먼저 공초점 현미경을 사용하여 신세포암의 각 등급별 3차원 볼륨 데이터를 획득하고, 지도학습 방법을 기반으로 슬라이스 영상의 화소의 컬러 특성값을 이용하여 세포핵을 분할했다. 세포핵의 3차원 가시화를 위해, 윤곽선 기반 표면 렌더링과 3차원 텍스쳐 사상 방법을 이용한 볼륨 렌더링을 수행했다. 이후 세포핵의 3차원 형태학적 특성값을 정의하고 추출했다. 어떠한 3차원 특성값이 진단 정보로 유용할 것인가를 평가하기 위해, 분산 분석을 이용하여 각 등급 간 3차원 특성값의 통계적 유효성을 분석했다. 마지막으로 추출한 특성값을 2차원 특성값과 비교하고 상관관계를 분석했다. 그 결과, 세포핵 등급과 3차원 형태학적 특성값 간의 유효한 통계학적인 차이를 확인했다. 제안한 방법은 정확한 진단과 예후 추정을 위한 새로운 등급 결정 시스템 개발을 위한 기반 연구로 활용될 수 있는 가능성을 보여주었다.