Wissensbasierte Bildanalyse des Endothels von Hornhauttransplantaten

Zusammenfassung

Hintergrund Die Evaluation des Transplantatendothels in Organkultur umfaßt die Beurteilung von Zellgröße, Zellform und Zelldichte unter dem Phasenkontrastmikroskop nach Schwellung der Zellgrenzen in hypotoner Lösung. Standard der Endothelzelldichtebestimmung ist derzeit die manuelle Auswertung von Polaroid-Fotos mit Hilfe eines festen Auswertungsrahmens bekannter Größe unter Berücksichtigung des Vergrößerungsfaktors und der innerhalb des Rahmens gezählten Zellen. Es war das Ziel dieser Arbeit, ein vereinfachtes und zuverlässiges Auswertungsverfahren der Endothelzelldichte von in Organkultur konservierten Hornhauttransplantaten zu entwickeln und mit dem bisherigen Standardverfahren der manuellen Auswertung zu vergleichen.

Material und Methoden Nach Schwellung der Zellgrenzen in hypotoner Lösung werden Endothelbilder durch eine auf das Phasenkontrastmikroskop aufgesetzte digitale Kamera in ein Computersystem übertragen und durch Filterungstechniken zu binären Bildern verarbeitet. Ein auf Fuzzy-Logik basierendes Programm differenziert Einfach- und Mehrfachobjekte, also letztlich lebende und nekrotische Zellen. Dieses wissensbasierte Bildanalysesystem bestimmt die Endothelzelldichte automatisch und erlaubt dem Untersucher, Korrekturen bei Fehlinterpretationen vorzunehmen. Dieses Verfahren wurde an 20 Korneatransplantaten von zwei erfahrenen Untersuchern getestet. Die erhobenen Daten wurden mit dem bisherigen Standard der manuellen Auswertung verglichen.

Ergebnisse Die intra- und interindividuelle Varibilität der erhobenen Endothelzelldichten war bei Verwendung des automatisierten Systems unter Berücksichtigung der Möglichkeit zur Nachkorrektur statistisch signifikant geringer als bei der manuellen Auswertung. Außerdem ließ sich der Zeitaufwand für Auswertung und Dokumentation insgesamt reduzieren.

Schlußfolgerungen Die Endothelzelldichte von in Organkultur konservierten Hornhauttransplantaten konnte mit diesem neuen automatisierten Auswertungssystem bei verringertem Zeitaufwand zuverlässig und reproduzierbar bestimmt werden. Zukünftig soll die Notwendigkeit zu manuellen Nachkorrekturen vermindert und die Genauigkeit des Systems und damit die Qualitätskontrolle der Spenderhornhäute durch die Verwendung multipler Auswertungsrahmen weiter verbessert werden.

Summary

Background Evaluation of corneal graft endothelium in organ culture comprises judgement of cell area, cell form and cell density by phase contrast microscopy after cell border swelling in hypotonic solution. Up to now, cell density has been determined via counting cells by hand within a fixed frame on polaroid images regarding the magnification factor. It was the purpose of this paper to establish a facilitated and reliable method for endothelial cell count by digital imaging and to compare it with our standard procedure of endothelial cell count by hand.

Material and methods After cell border swelling in hypotonic solution endothelial images are recorded by a digital camera that is connected to a computer system where the grey scale images are processed into binary images using specialized enhancement and thresholding techniques. A fuzzy logic based computer program was developed in order to differentiate between single and multiple objects, i.e. living and necrotic cells. This digital imaging system determines endothelial cell density automatically and offers the possibility to correct the data in any case of misinterpretation. Twenty corneal grafts were evaluated with this system by two experienced investigators and the results were compared with endothelial cell count by hand.

Results Using the new system, intra- and interindividual variability of endothelial cell count was statistically significantly lower compared with evaluation by hand. Furthermore, less time for evaluation and documentation was necessary.

Conclusions In a reduced period of time endothelial cell density of corneal grafts in organ culture can be determined reliably and reproducibly with the new digital imaging system if the possibility of data correction is used in case of misinterpretation. In the future, the necessity of corrections should be reduced and the use of multiple fixed frames should further improve quality control of corneal grafts.

Schlüsselwörter

Digitale Bildverarbeitung - Endothelzelldichte - Fuzzy-Logik - Hornhautendothel - Organkultur

Key words

Corneal endothelium - digital image processing - endothelial cell density - fuzzy logic - organ culture