陳慶蘭，任亞運(yùn)，徐本連

（常熟理工學(xué)院 a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

基于粒子群的多細(xì)胞狀態(tài)估計(jì)技術(shù)

陳慶蘭a，任亞運(yùn)b，徐本連b

（常熟理工學(xué)院 a.機(jī)械工程學(xué)院；b.電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

針對(duì)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)特性差異、細(xì)胞變形、細(xì)胞數(shù)目變化、細(xì)胞近鄰等估計(jì)難題，提出了一種基于粒子群優(yōu)化方法來實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞狀態(tài)估計(jì).首先，針對(duì)已存在細(xì)胞和新出現(xiàn)細(xì)胞設(shè)計(jì)了兩種不同的搜索機(jī)制，提出了一種標(biāo)準(zhǔn)的PSO算法且無需檢測模塊來實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞狀態(tài)估計(jì)；在此基礎(chǔ)上，引入細(xì)胞檢測模塊，提出一種基于改進(jìn)的PSO算法來實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞狀態(tài)精確估計(jì).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的PSO跟蹤策略能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞狀態(tài)估計(jì)，在引入細(xì)胞檢測模塊后，跟蹤性能提高50%以上，每幀平均耗時(shí)減小，并且在處理多細(xì)胞近鄰問題時(shí)具有良好的跟蹤魯棒性.

多細(xì)胞跟蹤；粒子群優(yōu)化；狀態(tài)估計(jì)

1　引言

多細(xì)胞跟蹤是指對(duì)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度、位移、軌跡、形狀等狀態(tài)進(jìn)行定性或定量的分析，它是進(jìn)行細(xì)胞活性、細(xì)胞遷徙和細(xì)胞趨向性等細(xì)胞生物學(xué)和生物制藥研究的有效方法和必要手段.傳統(tǒng)的以人工為主的方式觀察被研究細(xì)胞的活動(dòng)，不僅效率低，而且還附帶觀測者主觀因素的影響.與人工細(xì)胞跟蹤方法相比，自動(dòng)跟蹤方法耗時(shí)少，誤差小，實(shí)用性更強(qiáng)，但由于細(xì)胞的多變性、外界干擾等因素給細(xì)胞自動(dòng)跟蹤的研究帶來了巨大的挑戰(zhàn)，這使得研究一種自動(dòng)可靠的多細(xì)胞跟蹤技術(shù)變得極為迫切［1］.

目前多細(xì)胞自動(dòng)跟蹤方法包括三類：基于檢測和關(guān)聯(lián)的跟蹤方法，基于模型演變的跟蹤方法，基于濾波與采樣的細(xì)胞跟蹤方法［2］.基于濾波與采樣的細(xì)胞跟蹤方法模仿人類視覺系統(tǒng)在圖像序列中估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)流，能夠通過整合高維度的空間、時(shí)間和先驗(yàn)信息來解決問題，更好利用時(shí)序信息和所研究細(xì)胞動(dòng)力學(xué)特征的先驗(yàn)知識(shí)，其跟蹤性能明顯好于前兩種方法.粒子濾波器（PF）常被用于細(xì)胞跟蹤，但是在估計(jì)目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)的后驗(yàn)分布之前，需要知道測量模型和運(yùn)動(dòng)模型［3］.Juang首次把混合高斯概率假設(shè)密度函數(shù)（GM-PHD）濾波器應(yīng)用于多細(xì)胞跟蹤，在對(duì)細(xì)胞宗譜的研究中發(fā)現(xiàn)這種濾波器能夠很好地跟蹤細(xì)胞的世系和細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)情況［4］.Rezatofighi提出了LGJMS-PHD濾波器的解析式，包含了狀態(tài)獨(dú)立的轉(zhuǎn)移概率和分裂轉(zhuǎn)移概率，這個(gè)濾波器明顯減少了對(duì)于存在大量細(xì)胞和檢測噪聲時(shí)的處理時(shí)間［5］.REZA提出了多貝努利濾波器的一種序貫蒙特卡羅方法，該方法不需要檢測模塊，直接利用從低質(zhì)量的圖像序列中提取出的時(shí)空信息，屬于檢測前跟蹤技術(shù)［6］.

粒子群優(yōu)化算法的發(fā)展始于1995年Kennedy和Eberhart提出的基本粒子群算法［7］.隨著粒子群算法的發(fā)展，粒子群算法具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好，且能尋找圖像分割最優(yōu)閥值等特點(diǎn).Zhang提出了一個(gè)基于物種的PSO算法，把總?cè)悍殖啥鄠€(gè)子群用來實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的跟蹤，通常情況下這些粒子群相互獨(dú)立地跟蹤目標(biāo)，而當(dāng)目標(biāo)間的重合區(qū)域大于特定閥值時(shí)，這些粒子群會(huì)發(fā)生相互影響并且當(dāng)跟蹤目標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重的交互和頻繁的遮蔽時(shí)，會(huì)導(dǎo)致跟蹤失敗［8］.因此，Myo Thida等人提出了一種基于交互式粒子群的多目標(biāo)跟蹤算法，它使用交互式的群來跟蹤人群中的行人，該方法能夠很好地解決跟蹤中的遮蔽問題［9］.

2　標(biāo)準(zhǔn)PSO算法原理

PSO算法是用來尋找d維空間中最優(yōu)解的一種全局優(yōu)化算法，在搜索空間中隨機(jī)初始化一系列粒子

，其中 N表示粒子總數(shù).每個(gè)粒子都是d維空間中的一個(gè)候選解，所以第i個(gè)粒子可以表示為xi=｛xi1,xi2,???,xid｝，每個(gè)粒子都有對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值 f（xi）及速度vi=｛vi1,vi2,???,vid｝，粒子在空間中的運(yùn)動(dòng)基于三個(gè)方面：1）粒子保持自身當(dāng)前運(yùn)動(dòng)或速度的能力，2）粒子 i目前所找到的最優(yōu)位置整個(gè)群體所找到的最優(yōu)位置，其中

粒子在第（n+1）次迭代時(shí)的速度位置更新公式為

其中ω指慣性權(quán)重，它起到控制粒子當(dāng)前速度的作用；c1和c2為學(xué)習(xí)因子，其使粒子具有自我總結(jié)和向群體中優(yōu)秀個(gè)體學(xué)習(xí)的能力，從而向自己的歷史最優(yōu)點(diǎn)以及群體內(nèi)歷史最優(yōu)點(diǎn)靠近.參數(shù)r1,r2∈（0,1），且是均勻分布的隨機(jī)數(shù).通常需要對(duì)每個(gè)速度矢量定義一個(gè)最大速度：‖vi,j‖≤vmax,j（j=1,2,???,d），這能有效防止粒子在搜索過程中超出搜索范圍.

3　基于PSO的多細(xì)胞跟蹤算法

3.1基于無檢測模塊的PSO多細(xì)胞跟蹤

在標(biāo)準(zhǔn)PSO框架中受群體智能的啟發(fā)，很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)單一目標(biāo)的跟蹤，然而這種方法很難用來解決多細(xì)胞跟蹤，特別是當(dāng)細(xì)胞處于近鄰時(shí)，容易導(dǎo)致跟蹤的失敗.假設(shè)在一組圖像序列中有多個(gè)細(xì)胞，這些細(xì)胞在整個(gè)圖像中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，由于圖像大小的限制，就會(huì)產(chǎn)生新細(xì)胞的進(jìn)入和已存在細(xì)胞的離開.在細(xì)胞跟蹤問題中，對(duì)于整個(gè)圖像序列中細(xì)胞的數(shù)量及位置事先是未知的，所以在進(jìn)行PSO搜索時(shí)需要考慮兩部分，第一部分是搜索進(jìn)入圖像中的新細(xì)胞，這些新細(xì)胞中可能還包括了之前消失（離開圖像）的細(xì)胞；第二部分是跟蹤先前幀中存在的細(xì)胞，跟蹤結(jié)果將以細(xì)胞的質(zhì)心位置及近似尺寸表示.為此，圖1提出了兩種運(yùn)行機(jī)制：探索機(jī)制和保留機(jī)制.

探索機(jī)制：如圖1（b）所示，針對(duì)新細(xì)胞識(shí)別，在整幅圖像中首先初始化一個(gè)群，粒子將通過公式（3）和（4）搜索，一旦粒子群搜索到一個(gè)細(xì)胞就會(huì)停留于該圖像區(qū)域中，重復(fù)以上操作直到當(dāng)前幀中的所有細(xì)胞都被搜索，需要注意的是一個(gè)細(xì)胞只對(duì)應(yīng)一個(gè)群.

保留機(jī)制：如圖1（c）所示，針對(duì)前幾幀已經(jīng)識(shí)別的細(xì)胞，粒子群對(duì)其具有認(rèn)知能力.因此，如果該細(xì)胞在當(dāng)前幀依然存在，那么群能夠快速地識(shí)別出.此外，當(dāng)粒子群跟蹤已存在的細(xì)胞時(shí)，將根據(jù)細(xì)胞的顯著程度從而遵循一種特定的順序進(jìn)行識(shí)別.

3.1.1探索機(jī)制

圖1　基于PSO的多細(xì)胞跟蹤方法搜索策略

其中γ和 ξ為調(diào)整系數(shù)，hi（l）表示顏色直方圖向量hi第l部分的值，C表示在一個(gè)顏色直方圖中所有部分的數(shù)目.fL（xi）介于0和1之間.如果兩個(gè)直方圖相似度越高，該值越接近1.

在此基礎(chǔ)上，探索機(jī)制中的適應(yīng)度函數(shù)定義為

3.1.2保留機(jī)制

其中，Σ是預(yù)定義的一個(gè)基于細(xì)胞速度及形變的一個(gè)對(duì)角矩陣.在第t幀時(shí)預(yù)測狀態(tài)表示為

細(xì)胞Kt-1（k）的預(yù)測速度估計(jì)為

3.2基于檢測模塊的PSO多細(xì)胞跟蹤

3響.參數(shù)r1,r2,r3是每一次迭代時(shí)在區(qū)間（0，1）中生成的隨機(jī)數(shù)，設(shè)定c1=c2+c3=2，其中c3=0.5.

在保留機(jī)制中，需要定義細(xì)胞的顯著程度Lt-1，為此，我們定義在空間鄰近度和外觀相似度的基礎(chǔ)上計(jì)算出檢測數(shù)據(jù)與目標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)之前的匹配程度

4　實(shí)驗(yàn)仿真與分析

4.1細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)與參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證算法性能，考慮在兩組不同的細(xì)胞圖像序列下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，兩組細(xì)胞圖像包含如下不確定因素：細(xì)胞動(dòng)力學(xué)差異，細(xì)胞形變，細(xì)胞的進(jìn)入與消失細(xì)胞等.參數(shù)的選擇如表1所示.

圖2　基于檢測的PSO多細(xì)胞跟蹤方法

4.2結(jié)果與討論

表1　參數(shù)值設(shè)定和說明

圖3和圖4分別給出了圖像序列1和2的多細(xì)胞跟蹤結(jié)果，可以看出，針對(duì)多細(xì)胞不同的動(dòng)力學(xué)特性，不同形狀以及細(xì)胞的進(jìn)入和消失，本文所提出的算法均能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確參數(shù)估計(jì)，如圖像序列1中的部分進(jìn)入的細(xì)胞（如細(xì)胞6進(jìn)入第2幀中，細(xì)胞8進(jìn)入第19幀中）和消失的細(xì)胞（如第13幀中的細(xì)胞2和4）均能識(shí)別；圖像序列2中的細(xì)胞3的進(jìn)入，細(xì)胞1與細(xì)胞2的近鄰、動(dòng)力學(xué)差異大等特殊情形.

4.3討論

圖3　無檢測模塊的PSO多細(xì)胞跟蹤結(jié)果（序列1）

4.3.1性能指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)參數(shù)估計(jì)性能，引入評(píng)價(jià)指標(biāo)有［5］：虛警率（FAR），漏檢率（FNR），標(biāo)簽轉(zhuǎn)換率（LSR），標(biāo)簽丟失率（LTR）、均方根誤差（RMSE）、平均每幀運(yùn)算時(shí)間.

圖4　無檢測模塊的PSO多細(xì)胞跟蹤結(jié)果（序列2）

4.3.2不同參數(shù)策略對(duì)參數(shù)估計(jì)性能的影響

表2　不同策略下的仿真結(jié)果（20次蒙特卡羅仿真）

4.3.3兩種多細(xì)胞跟蹤算法的性能比較

在策略1的基礎(chǔ)上，將基于無檢測模塊和基于有檢測模塊的兩種PSO方法應(yīng)用于圖像序列2并進(jìn)行性能比較.如表3所示，基于檢測模塊的PSO方法在FAR、FNR、LSR等性能指標(biāo)上都有顯著改善，分別提高52%，58%和66%.但是每幀的耗時(shí)并未有明顯變化.與無檢測模塊的多貝努利濾波器［6］相比，本文所提出的方法跟蹤性能表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性.

表3　兩種基于PSO多細(xì)胞跟蹤方法的性能比較

圖5給出了兩坐標(biāo)方向上的平均RMSE統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，加入檢測模塊環(huán)節(jié)后，其平均RMSE明顯小于未加入檢測模塊的PSO方法.

綜上所述，加入檢測模塊后，參數(shù)估計(jì)精度有了明顯提高，增加了算法的魯棒性.應(yīng)注意的是，雖然增加了檢測環(huán)節(jié)，但每幀平均參數(shù)%計(jì)耗時(shí)沒有增加，其主要原因是加入了檢測環(huán)節(jié)，粒子群中的大部分粒子的尋優(yōu)過程更加有針對(duì)性，提高了執(zhí)行效率.

圖5　兩種方法下的RMSE性能比較

5　結(jié)論

針對(duì)低對(duì)照比條件下的微小多細(xì)胞圖像序列，本文提出了一種新穎的基于粒子群優(yōu)化的方法來實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞參數(shù)估計(jì).針對(duì)已存在細(xì)胞和新出現(xiàn)細(xì)胞，分別設(shè)計(jì)了兩種不同的搜索機(jī)制，即探索機(jī)制與保留機(jī)制，在此基礎(chǔ)上，提出了無檢測模塊和加入檢測模塊的PSO多細(xì)胞跟蹤方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）該方法能夠準(zhǔn)確估計(jì)每個(gè)細(xì)胞的位置；2）能精確捕捉到進(jìn)入的新細(xì)胞和離開的細(xì)胞；3）當(dāng)細(xì)胞之間發(fā)生交互時(shí)，依然能夠準(zhǔn)確參數(shù)估計(jì).

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A PSO-Based Algorithm for Multiple Cells State Estimation

CHEN Qing-lana，REN Ya-yunb，XU Ben-lianb
（a.School of Mechanical Engineering；b.School of Electrical and Automatic Engineering, Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China）

In terms of the difference in cell dynamics,the change in cell morphology,the varying population, and the spatially adjacent case of multiple cells,a particle swarm optimization（PSO）based approach is pro?posed to tackle the problem of multi-cell state estimation.For the existing and new entering cells,two types of searching mechanisms are defined,and a generic PSO-based method without the detection module is proposed to estimate the states of multiple cells.On the basis of it,the detection module is introduced,and an improved PSO based method is further investigated with the purpose of obtaining a relatively accurate estimate results. The experimental results show that this approach can automatically estimate the multi-cell states,and that the tracking performance is increased by 50%and less execution time is required after the introduction of detection module.Moreover,it shows better tracking robustness for those spatially adjacent cells.

multiple cell tracking；particle swarm optimization；state estimation

TP181

A

1008-2794（2015）02-0063-07

2014-07-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于螞蟻智能搜索行為的多細(xì)胞自動(dòng)跟蹤及其應(yīng)用研究”（61273312）

通訊聯(lián)系人：陳慶蘭，工程師，研究方向：機(jī)電一體化，圖像處理，目標(biāo)跟蹤，E-mail：chenql@cslg.cn.