92
Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory of Scientific Image Analysis (SCIAN-Lab) Biomedical Neuroscience Institute (BNI) Anatomy and Developmental Biology Program, ICBM, Faculty of Medicine, University of Chile Montevideo 02 del Abril del 2013 vvv

Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

  • Upload
    others

  • View
    11

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y

Patología por Internet

Steffen Härtel

Laboratory of Scientific Image Analysis (SCIAN-Lab) Biomedical Neuroscience Institute (BNI)

Anatomy and Developmental Biology Program, ICBM, Faculty of Medicine,

University of Chile

Montevideo 02 del Abril del 2013

vvv

Page 2: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory
Page 3: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

morfología

topología

y patrones

tiempo

Joaquín Torres Garcia … UNIVERSALISMO CONSTRUCTIVO

Page 4: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Cross correlation functions

Colocalization 2012 PLosOne 2011 JBC 2011 Arthritis & Rheumatism 2011 Biol Research 2011 Antioxid Redox Signal 2010 Journal of Microscopy 2009 JBC I 2009 JBC II 2008 Cardiovasc Res I + 2

vvv

Partial differential equations

3D · Morpho-topology 2012 European Biophysics Journal 2011 J Microbiol Methods 2010 J of Struct Biol 2010 Development 2010 Biological research 2009 BBA 2007 Computational Modelling

2D · Morpho-topology in lipid monolayers 2010 BBA 2009 Biophysical Journal 2007 Cell Biochemistry and Biophysics 2005 Biophysical Journal …

Motion estimation and tracking 2013 IPOL 2012 Machine Vision and Applications 2012 PLosOne 2011 Revista Médica de Chile

IPOL

Page 5: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Basic Science FONDECYT CONICYT

Basic Science ICM

R&D FONDEF CONICYT

Human Capital Formation Medical Informatics DAAD / DFG

vvv

Redes: ‘Red de Investigación de Cancer de Estados Unidos y America Latina US LA CRN’ National Cancer Institute EEUU: NCI

Fibra de 10 GB entre Medicina y NLHPC VID, U-Chile, BNI, F-Med, ICBM, NLHPC, …

SCIAN-Lab

Page 6: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv SCIAN-Lab

PI ● Biophysics PostDocs ●●●● Biology / Computer Sc / Electrical Engineer PhD - students ●●●● Computer Sc / Electrical Engineer Master - students ●● Medical Technology / Electrical Engineer Undergraduate ● Computer Sc Research – Assistants ●●●●● Medicine / Computer Sc / Electrical Engineer Technicians ●●● Biotechnology / Labtechnician / Administration

Page 7: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv SCIAN-Lab

Page 8: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv SCIAN-Lab <-> BNI

● ● ● ● ●

Page 9: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv SCIAN-Lab <-> BNI

Leica TCS LSI: Super Zoom Confocal + SOFI

NanoZoomer: Tissue Imaging

Perkin Elmer Spinning Disk

Page 10: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv SCIAN-Lab <-> BNI

Keller et al, Science 322, 2008

Pulgar, Concha, Keller 2012 unpublished

Page 11: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Resolution ~ / 2 ~ Full Width at Halft Maximum (FWHM)

Ernst Abbe

1840 - 1905

FWHM

vvv Light Microscopy in LA…

Page 12: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

2-photon SIM STED 4- PALM

FWHM(xy) ~ /2 ~ /4 ~ /∞ ~ /4 ~ /100

M Goeppert-Mayer M Gustafson S Hell E Betzig

1906-1972 1960-2011 MPI Göttingen Janelia Farm

BIOQUANT Hdg

vvv Light Microscopy outside LA…

Page 13: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Fluctuating light source:

Quantum dots

(Cd/Se)

(ZnS)

(2º antibody)

Joerg Enderlein, Göttingen

vvv Superresolution optical fluctuation

imaging (SOFI) …

Page 14: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Image formation with SOFI

Dertinger T., Colyer R.; Iyer G.; Weiss. S.; Enderlein J., PNAS, 2009

Page 15: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Scale bar: 250 nm

1st

2nd

4th

16th 25th

SOFI higher order cumulants

Dertinger T., Colyer R.; Iyer G.; Weiss. S.; Enderlein J., PNAS, 2009

Page 16: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

2nd order SOFI applied to a neuronal ER image

KDEL

Page 17: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Two channel 2nd order SOFI

Wide-field

SOFI 2nd order

5 µm

KDEL/GABABR1

Page 18: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Transgenic flh::GFP

LEO-Lab/SCIAN-Lab … (Härtel et al. 2007 Computational Modelling of Objects Represented in Images. Fundamentals, Methods and Applications)

Morpho-genetic mechanisms – interplay of form and function. .

vvv

Page 19: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Kass M. et al (1988) Int. J. Comp. Vis. 1:321-331. Xu & Prince (1998) Signal Processing 71: 131-139.

Original Data Deconvolved Data (www.svi.nl) Hand drawn contour Snakes

2D 3D

vvv

Page 20: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

Page 21: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

26 28 30 32 34 38 time (hpf)

box hight

box width

box entropy

box model

box elongation

box length

box flatness

vvv

Page 22: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

26 hpf 32 hpf 38 hpf

Similar for -tubulin, γ-tubulin, Phalloidin,

ZO-1

apical

basolateral

vvv

Page 23: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

26hpf

vvv

Page 24: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

external energy image dependent

(GGVF Xu&Price 1988)

dstsCtsCsCE

dssCsCE

dssCE

s

sC

s

sCE

f

in

ext

)]1,(),1,(),([

)](),([

)]([

)()(

2

11

0

2

2

22

internal energy contour dependent

(Kass et al 1988)

distance energy neighbour dependent (us …)

CLG-3D optical flow energy time dependent

++ multi-grid

(Bruhn et al. 2003/2005)

++ ‘subjective surfaces’

(Sarti et al 2000)

Page 25: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

COS-7 cell with fusion protein EB3-GFP (end binding protein) at growing microtube tips (cito skeleton)

Page 26: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

- Speed of growing microtube tips, correlation with ER dynamics with cytoskeleton, …

Page 27: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

OF-fields determine motion, velocities, and improve object tracking

Model

OF for fronts, blebs, tips, …

Front

Microtube Tips

Biology

Bleb

Growing microtube tips, EB3-GFP (end binding protein)

50 100 150 200 250 300 350 4000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000N = 40000

mean vel = 90.25 [nm/s]

sd = 56,68 [nm/s]

se = 0,28 [nm/s]

nu

mb

er

velocity [nm/s]

Page 28: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv Optical Flow (OF)

1950 JJ Gibson, psychologist, ’The Perception of the Visual World’

OF vector field v = [u,v] meets Ix ∙ u + Iy ∙ v + It = 0

I(x,y,t) = I(x+∆x, y+∆y, t+∆t)

1981 Horn and Schunck (HS) ’… apparent velocities of movement of brightness patterns in images’ … two basic assumptions: ’gray value constancy’ and ’smooth flow of the intensity values’ between two images

2003-2006 Bruhn et al Combined Local Global Methods (CLG) … generalize ’global’ HS and ’local’ Lucas and Kanade (LK, 1981) approaches

Page 29: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv OF - equations

Page 30: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Combined Global Local, CLG

vvv

Horn - Schunck, HS

1 pixel jump 3 pj 6 pj 12 pj 20 pj

Lukas - Kanade, LK

OF – vector fields

Page 31: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

Combined Global Local , CLG

Horn - Schunck, HS

Lukas – Kanade, LK

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

flo

w p

red

ictio

n

pixel jump

ground trouth

LK

HS

CLG

OF prediction LK-HS-CLG

UUUps, … only small jumps , max 6 pixels !!! -> but Nyquist in time

2012 Machine Vision and Applications

Page 32: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv Multi Scale Optical Flow

ti+1

ti

Scale 0

Gaussian Pyramid

Scale 1 ti+1

ti

Scale 2 . . . Scale N

ti+1 ti

∆OF(N-1)’

ti+1’ ti+1

OF(N-1)

+

∆OF(N-1)’ OF(N-1)’

.

.

. OF (0) √

v

warping

w

ti OF(N-1)’ ti+1’

OF(N)

Page 33: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Combined Global Local, CLG

vvv

Horn - Schunck, HS

1 pixel jump 3 pj 6 pj 12 pj 20 pj

Lukas - Kanade, LK

Multi-Scale CLG (4)

Multi-Scale HS (4)

OF – vector fields

Page 34: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv

Multi-Scale 4 CLG MS(4)

Multi-Scale 4 HS MS(4)

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

flo

w p

red

ictio

n

pixel jump

ground trouth

LK

HS

CLG

HS MS(4)

CLG MS(4)Combined Global Local , CLG

Horn - Schunck, HS

Lukas – Kanade, LK

OF prediction LK-HS-CLG-MS

Page 35: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

IPOL publishes image processing algorithms as precise and comprehensive as possible. The publication of each algorithm includes: - detailed description, bibliography, commented examples and a failure case analysis - on line demo site for testing of user data - downloadable program in C or C++ - discussion forum on the algorithm

vvv ... Image Processing Online, iPol @ www.ipol.im

Page 36: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

-2013- Combined Local Global Optical Flow Jara J, Delpiano J, and S Härtel IPOL-LA, Montevideo, Uruguay, in revision -2012- Performance of optical flow techniques for motion analysis of fluorescent point signals in confocal microscopy Delpiano J, Jara J, Scheer J, Ramírez O, Ruiz-del-Solar J and S Härtel Machine Vision and Applications, Volume 23, Issue 4, pp: 675-89 Nicolas LIMARE: “Reproducible Research in Computational Sciences” Montevideo 04 o 05 de Abril Details will appear very soon on http://www.ipol.im/news/ and https://twitter.com/ipol_journal Thanks for the promotion.

vvv ... Image Processing Online:

iPol @ www.ipol.im

Page 37: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

?

0 2 4 6 8 100

50

100

150

200

250

300

350

400

dis

tan

cia

numero vecino0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

dis

tan

cia

numero vecino

costo ignorancia

factor

2-3 : 1

Page 38: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Espermiograma a Distancia

Implementación Clínica de Espermiogramas Digitales

Potenciando iSalud en América Latina

Page 39: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Problema

Escenario Actual

• Infertilidad

… es un problema creciente que afecta el 15% de las parejas. En Chile, ~6000 parejas generan una demanda de ~8.000 espermiogramas por año.

• Espermiograma

… mide parámetros claves de una muestra seminal y determina el tratamiento clínico de la pareja.

• Existe falta de estandarización, precisión y objetividad

… analisis visual induce errores importantes con implicancias (graves) para el tratamiento de la pareja.

Page 40: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Problema

Esperiograma Convencional

Page 41: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Problema

Esperiograma Convencional

Page 42: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

CEDAI

Esperiograma por Internet

Page 43: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

… manejo simple

… menor costo

( 10 MM CLP )

… soporte y respaldo

… almacenamiento

en cloud

Solución CED·AI

SAAS Software As A Service, …

Page 44: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Solución CED·AI

SAAS Software As A Service, …

Vitalidad

3-4 Imágenes

Fragmentación ADN

3-4 Imágenes

Concentración Movilidad Células

Redondas

Page 45: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Metodología Movilidad

Page 46: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Metodología Movilidad

Page 47: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Metodología Movilidad

N

tt

yyxx

VCL

finalt

i ii

iiii

_

0 1

2

1

2

1 )()(

Velocidad curvilínea

0_

2

0_

2

0_ )()(

tt

yyxxVSL

finalt

finaltfinalt

Velocidad lineal

N

tt

YsYsXsXs

VAP

finalt

i ii

iiii

_

0 1

2

1

2

1 )()(

Velocidad promedio

Page 48: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Objetivo 10x ph1, 650,138 x 483,436µm

Metodología Movilidad y Concentración.

Page 49: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Metodología Movilidad y Concentración.

Identificación de cabezas por tamaño.

Page 50: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Metodología Movilidad y Concentración.

Identificación de colas de espermatozoides

Page 51: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Metodología Movilidad y Concentración.

Identificación de cabezas de espermatozoides con colas.

Page 52: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Comparación CASA versus ED·AI

CED·AI

total=68 total=57

Espermatozoides no encontrados: 4

Cabezas sin cola: 11

2

2

CASA

Page 53: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Debido al conteo de un mayor número de objetos en el análisis digital los valores son más cercanos al valor real.

SE = 10.5 % (Expertos) contra SE = 8 % (ED·AI)

Verificación / Calibración

Concentración: Cuantificación de espermatozoides sólo con colas.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Concentr

acio

n [10E

6]/m

l]

Muestra

Ob 1

Ob 2

Ob 3

EDAI 1

EDAI 2

EDAI 3

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Page 54: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Verificación / Calibración

Movilidad

Movilidad Tipo A

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

numero de muestra

mo

vil

ida

d [

%]

Observador 1

Observador 2

Observador 3

ED-AI 1

ED-AI 2

ED-AI 3

No existen diferencias significativas entre expertos y el método digital.

Movilidad Tipo A

Movilid

ad (

%)

Número de la muestra

Page 55: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Verificación / Calibración

Movilidad

Método digital produce resultados sin diferencias estadisticas a los resultados de los tres expertos. Ventajas: mayor N <-> menor SE [%] ~ √N

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 EDAI 1

EDAI 2

EDAI 3

Pro

gre

siv

os (

PR

) [%

]

Muestra

Ob1

Ob2

Ob3

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Inm

ovil

[%]

Muestra

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Ob1

Ob2

Ob3

EDAI 1

EDAI 2

EDAI 3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

No P

rogre

siv

os [%

]

Muestra

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Ob1

Ob2

Ob3

EDAI 1

EDAI 2

EDAI 3

Page 56: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

ED·AI

Colisión con detritus celular: - Error de velocidad

Intersección de trayectorias: - Error de Fusión y Fisión

Comparación CASA versus ED·AI

CASA

Page 57: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory
Page 58: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory
Page 59: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Muestras

Digital | ED·AI

Espermiogramas Asistidos por Internet (CED·AI, U-Chile)

Manual | Expertos

Luis Sarabia (U-Chile) Marcia Madariaga (IDIMI) Adolfo Acosta (Clínica Las Condes)

Movilidad (OMS 2010) Grupos: Progresivo

No progresivo Inmóvil

Concentración millones/ml Recuento de

células redondas millones/ml

Vitalidad % en base de >400 espermios

Fragmentación ADN % en base de >400 espermios

Validación ED·AI …

con expertos nacionales

Page 60: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Vitalidad …

- … integridad de la mitocondria espermática

- … integridad del ADN espermático

- … integridad de membrana espermática

- SYBR-14 / IP LIVE / DEAD Sperm Viability Kit

- Eosina Y / Nigrosina

(al frotis) (OMS)

- Eosina Y (al fresco)

- Eosina Y (al frotis)

Page 61: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Vitalidad… Eosina Y (al fresco)

campo claro (OMS)

objetos tamaños

colas

objetos de un tamaño definido con cola

Page 62: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

“Rojicidad”:

R/G o R/B

Vitalidad… rojicidad

Page 63: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

R/G:

1.00 0.87 1.03 0.88 0.96 0.95 0.96 0.89 0.89

Vitalidad… rojicidad

Page 64: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Eosina Y (al fresco) Eosina Y (al frotis)

Vitalidad… plano focal

Page 65: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

familia de espermios refringentes (muertos)

familia de espermios no refringentes (vivos)

Vitalidad… Eosina Y (al frotis)

Page 66: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Vitalidad… Eosina Y (al frotis)

familia de espermios refringentes (muertos)

familia de espermios no refringentes (vivos)

Page 67: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Vitalidad… fresco vs frotis vs CEDAI

60 65 70 75 80 85 90 95

60

65

70

75

80

85

90

95 Linear Fit of Data7_MANUAL

Upper 95% Confidence Limit

Lower 95% Confidence Limit

espe

rmio

s vi

vos

expe

rto

frot

is (

%)

espermios vivos experto fresco (%)

60 65 70 75 80 85 90 95

60

65

70

75

80

85

90

95

Linear Fit of Data2_MANUAL

Upper 95% Confidence Limit

Lower 95% Confidence Limit

esp

erm

ios

vivo

s e

xpe

rto

fro

tis (

%)

espermios vivos CED·AI (%)

Page 68: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

- … determiado por:

- TUNEL (terminal deoxinucleotide

transferase dUTP nick end

labeling) FITC/IP via fluorescencia

- SCSA (sperm chromatine structure

assay) via fluorescencia

- COMET (single cell gel electrophoresis)

via fluorescencia

- SCD (sperm chromatine dispersion)

-> Halosperm®

-> en casa

Fernandez et al 2003 J Andrology

Fragmentación del ADN …

Page 69: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Fabrizzio Horta: “Validación de la metodología de dispersión de la

cromatina para cuantificar daño en el DNA espermático en pacientes

que consultan por infertilidad.” Tutora: Dra. Rosita Smith.

Horta F, Madariaga M, Garcia A, Härtel S & Smith R 2011

Association of age with sperm DNA fragmentation

Aumento del daño en el DNA espermatico en varones mayores de 40

años. Revista Médica de Chile, 139: 306-312

www.scian.cl -> publications

• El ensayo SCD permite medir la fragmentación del ADN

espermático de manera sencilla, costo efectiva, rápida y

con instrumentos de laboratorio de fácil acceso.

Fragmentación del ADN …

Page 70: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Fragmentación del ADN …

m1 m2 m3 m4 m5 m6 m8

0

20

40

60

80

100

AD

N in

tact

o /

con

HA

LO (

%)

CED·AI 20x

Experts

m1 m3 m8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

AD

N in

tact

o /

con

HA

LO (

%)

CED·AI 10x

Expert

Page 71: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Calibración Morfología

Expertos Internacionales vía www…

Page 72: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

CED·AI

SCA Barcelona, Esp

SAS Hamilton, USA

SVP Minitüb, Ger

CASA medeaLAB, Ger

Costo Instalación

$ $$$

$$$ $$$ $$$

Concentración / Motilidad

+ + + + +

Vitalidad + (+) fluorescencia

(+) fluorescencia

- (+) fluorescencia

Fragmentación ADN

+ (+) Halo-Kit

(+) fluorescencia

- (+) fluorescencia

Acceso Online + servicio de analisis

(+) analisis remoto sin servicio

- - -

Reporte Automatico

+ - - -

-

Cloud-Storage + - - - -

Resumen

CED·AI vs CASAs

Page 73: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Equipo Expertos

CED·AI está en fase piloto con Instituciones que abarcan ~30 % del volumen nacional

… Unidad de Medicina Reproductiva

J. Crosby

… Instituto de Investigaciones Materno-Infantil

R. Smith

… Laboratorio de Espermiograma

L. Sarabia

Page 74: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

EQUIPO

Medicina – Telecomunicación – Imágenes

Rodrigo Rojas • Ing. Civil Informàtico

• Fundador de Xperts Ltda.

Dr. Steffen Härtel • Director del Laboratorio de Procesamiento de Imágenes Científicas

• Investigador Principal Fondecyt/Fondef/Instituto Milenio

Alejandra García

• Tecnóloga Médica

• Coordinadora de CED·AI

Page 75: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

EQUIPO

Medicina – Telecomunicación – Imágenes

Victor Castañeda Zeman Ingeniero Civil Eléctrico, Universidad de Chile / PhD. Ciencias de la Computación, TU München, Alemania. - Morfología

Carolina Figueroa Amenábar Licenciado en Biología, Universidad de Chile. - Fragmentación ADN espermático

Susana Vargas López Tecnólogo Médico, Magister en Biofísica Médica, U-Chile. - Motilidad y Vitalidad

Martín Pinuer Administrador Contable CEDAI SpA

Violeta Chang Camacho Ingeniero Civil Informático, Universidad Nacional de Trujillo, Perú. - Morfología Fabrizzio Horta

Tecnologo Medico, U-Chile UMReproductiva Clínica Las Condes

Page 76: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory
Page 77: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv www.scian.cl

Premios Iberoamericanos a la Innovación y

el Emprendimiento, 15 de noviembre 2012

Page 78: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

vvv www.scian.cl

Page 80: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Modelo Negocio

… Internacional y nuevos mercados

Nuevos Nichos:

- Equino

- Porcino

- Bovino …

… Licenciamiento

Chile Arg/Uru Peru Col Mexico Brazil EEUU0

5

10

15

20

25

Facto

r de P

obla

ció

n

- Muchas Gracias !

Page 81: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Proyecto D11I1096

I+D precompetitivo

CENTRO DE PATOLOGÍA DIGITAL

ASISTIDA POR INTERNET

XIX Concurso de Proyectos FONDEF de I+D 2011

Page 82: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

(a) (b)

Page 83: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

• La biopsia es el examen de una muestra de tejido que entrega un diagnóstico clave para muchas enfermedades graves o frecuentes.

Ejemplos importantes son linfomas y leucemias, patologías orales o el carcinoma mamario.

• Aunque el desarrollo de nuevos procedimientos, tratamientos y técnicas ha generado grandes avances en los exámenes de biopsias, en Chile y Latinoamérica existen importantes limitaciones debido a:

- falta de recursos para efectuar estudios complementarios.

microscopios, reactivos para fluorescencia, geografía compleja

- falta de herramientas para realizar análisis cuantitativo.

programas analíticos, digitalización de muestras

- falta de acceso a tecnología para realizar interconsultas.

servicios que conecten datos para interconsulta por Internet

problema

Page 84: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

problema

Page 85: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

estado del arte

• En EEUU y Europa, existen empresas e iniciativas en la interfase I&D que ofrecen equipos y sistemas para la digitalización de biopsias y su posterior distribución por Internet:

Los servicios incluyen escaneo en campo claro y fluorescencia, almacenamiento, herramientas de cuantificación, generación de repositorios, elementos educativos, posibilidad de interconsulta.

• En Chile y Latinoamérica el examen de biopsias se realiza en forma visual (semicuantitativo) con variabilidades intra- e inter-observador, sin acceso a herramientas de cuantificación o posibilidad de interconsulta. El envío de material histológico para una interconsulta o una segunda opinión es lenta, costoso sin alternativas digitales atractivas.

• El desarrollo de herramientas de cuantificación morfo-topológica de biopsias presenta un campo muy dinámico en el ámbito del procesamiento de imágenes.

Page 86: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

oportunidad

La oportunidad consiste en la creación de un Centro de Patología Digital Asistida por Internet (CPD), apuntando a la generación de un nuevo servicio tele médico | tele analítico que garantice el más alto nivel de interconsulta y análisis cuantitativo para el diagnóstico de patologías en los centros solicitantes, independiente de su localización geográfica. La constitución del CPD depende de la investigación, desarrollo y aplicación de rutinas matemáticas en el campo de análisis de imágenes a gran escala, que cuantifican por primera vez fenómenos morfo-topológicos con el propósito de precisar diagnósticos con implicancias pronosticas y terapéuticas en la región. El CPD fomenta la investigación, desarrollo y aplicación de rutinas de tele-comunicación y tele-interconsulta por internet en el campo del manejo, anotación y distribución de imágenes microscópicas, ofreciendo el primer servicio de vanguardia a hospitales, clínicas y centros privados que componen el creciente mercado de patología a distancia dentro de Latinoamérica.

Page 87: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

CPD Patología Asistida por Internet

Page 88: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

metodología I&D

I&D evolutivo para plataforma de tele-interconsulta. Desarrollo de Plataforma Software

Cuantificación linfocitos en regiones focales en patología oral. Desarrollo y validación clínica de algoritmos imagenológicos con técnicas HE.

Cuantificación receptor de estrógeno en tejido mamario humano. Desarrollo y validación clínica de algoritmos imagenológicos con técnicas IHQ.

Cuantificación expresión de Cerb2 (IHQ) en tejido mamario. Desarrollo y validación clínica de algoritmos imagenológicos con técnicas IHQ.

Cuantificación gránulos en tejido renal. Desarrollo y validación clínica de algoritmos imagenológicos con técnicas IF.

Page 89: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

Los principales usuarios son patólogos de Centros Médicos (públicos y privados).

Los beneficiarios son pacientes que requieren diagnósticos certeros a través de biopsias.

Biopsias en Chile son exámenes de alta demanda, anualmente …

… el SAP-HCUCH registra 19.669 biopsias con Hematoxilina-Eosina (HE), 1.011 casos requieren al menos un estudio inmunohistoquímico (IHQ).

… el Hospital Barros Luco-Trudeau efectúa alrededor de 20.000 biopsias con HE, 4.000 requieren IHQ.

… la Clínica Las Condes efectúa alrededor de 12.000 biopsias con HE, 3.500 requieren IHQ.

Por otro lado, existe un campo adicional en Facultades de Salud y Biología de diversas Universidades y Colegios que requieren material digital de calidad para clases de anatomía, histología y especialidad médica. Los beneficiarios son académicos, estudiantes, profesores y alumnos.

usuarios y beneficiarios

Page 90: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

rol de empresas

y entidades asociadas

Empresa Consultora en e-Salud. Interés en implementar y desarrollar su plataforma de software en los servidores de CPD para teleinterconsulta y segunda opinión en histopatología.

Servicio Anatomía Patológica, Hospital Clínico, U-Chile. Interés en ejecutar la fase piloto de CPD y participar en la integración de los algoritmos y servicios de vanguardia en la práctica clínica .

Servicio Anatomía Patológica Oral, Facultad Odontología, U-Chile. Recibe biopsias orales de todo Chile. Interés en contribuir y beneficiarse de los algoritmos y servicios de vanguardia generados.

Empresa Telecomunicaciones y Software. Interés en diseñar e implementar la plataforma de gestión, almacenamiento y consulta en el campo de la microscopía virtual.

Reúne expertise e infraestructura en microscopía y procesamiento de imágenes únicos en Chile. Interés en desarrollar temas de ciencia e I&D en CPD.

TIGA-Center, BIOQUANT, U-Heidelberg. Líder mundial en imagenología de tejidos. Desarrolla plataforma bioinformática dedicada al estudio cuantitativo y modelamiento de tejidos con relevancia clínica. Interés en colaborar y potenciarse en el desarrollo de algoritmos versátiles.

Page 91: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

equipo

Dr. Steffen Härtel, Director, Jefe de SCIAN-Lab, científico con Fondecyt, Aniillo, Núcleo y Instituto Milenio, DAAD, DFG, Director Académico del Programa de Informática Médica en conjunto con la U-Heidelberg, Director de FONDEF D07I1019 y socio de spinoff CEDAI SpA.

Dra. Eugenia Díaz, Subdirectora, Académico de Histología de la F-Med U-Chile. Línea de investigación en aspectos histológicos, citoarquitectónicos e inmunohistoquímicos de la habénula humana. Directora científica cursos de extensión para el Magisterio.

Paula Segura: Médico Cirujano, Anátomo Patólogo del HCUCH, con entrenamiento especializado en patología renal. Ha participado en proyectos de investigación clínica y clínica básica.

Gonzalo Rojas: Cirujano-Dentista, Magister Patología Oral y Diplomado Medicina Oral. Jefe Servicio Anatomía Patológica Oral. Investigador asistente en Fondecyt.

Alejandra García: Tecnólogo Médico. Experiencia en técnicas de microscopía óptica, fluorescencia y procesamiento de imágenes. Gestión de actividades I&D de proyecto FONDEF D07I1019.

Jan Scheer: Ingeniero Biomédico. Tesis en sistemas de salud en el Tissue Imaging and Analysis (TIGA) Center bajo la tutela de Dr. Niels Grabe.

Roberto Pino, NOVOS, Incubadora de Negocios, U-Chile. Experiencia en desarrollo de negocios de base tecnológica y en diseño de modelos de negocios que faciliten la explotación comercial de los resultados de investigación y desarrollo.

Page 92: Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas ... · Sistema de Procesamiento de Imágenes Microscópicas: Espermiograma Digital y Patología por Internet Steffen Härtel Laboratory

morfology

topology

muchas gracias

lots of

work ahead