Segmentation and classification of human sperm heads towards morphological sperm analysis

Abstract

La infertilidad es un problema clínico que afecta hasta a 15% de parejas en edad reproductiva, con implicancias tanto emocionales como fisiológicas. Un análisis de semen es el primer paso en la evaluación de una pareja infértil. El énfasis en identificar no sólo cabezas normales de espermatozoides sino también categorías de cabezas anormales puede tener una significativa utilidad clínica al decidir por un tratamiento de fertilidad. Esta tesis propone una nueva metodología para detectar, segmentar, caracterizar y clasificar cabezas de espermatozoides humanos, con el objetivo de facilitar el posterior análisis morfológico, para diagnósticos de fertilidad, toxicología reproductiva, investigación básica o estudios de salud pública. En la primera parte de este tesis, se ha tratado la detección y segmentación de cabezas de espermatozoides humanos. En este sentido, se propone un gold-standard para segmentación de espermatozoides construido con la cooperación de un experto referente en el área, para comparar métodos para detección y segmentación de espermatozoides. Además, se ha desarrollado un framework para la detección y segmentación de componentes de cabezas de espermatozoides humanos (incluyendo acrosoma y núcleo) que usa tres espacios de color además de técnicas de clustering y análisis estadístico del histograma. La evaluación experimental muestra que el método propuesto mejora el desempeño del estado del arte. Los resultados logran 98% de detección correcta a expensas de un número menor de falsos positivos, comparado con el estado del arte. Así mismo, los resultados de segmentación de cabeza, acrosoma y núcleo muestran más de 80% de solapamiento comparado con las máscaras de segmentación manual del gold-standard. En la segunda parte de esta tesis, el enfoque estuvo en la caracterización y clasificación de cabezas de espermatozoides humanos. Así, se introduce un gold-standard para clasificación de cabezas de espermatozoides humanos, construido con la colaboración de tres expertos referentes en área, y de acuerdo al criterio de la OMS. Además, se ha formulado un nuevo descriptor para cabezas de espermatozoides que, combinado con otros descriptores basados en forma, permite discriminar entre cabezas de espermatozoides normales y anormales, identificando cuatro tipos de cabezas anormales. También se propone un esquema de clasificación, que permite categorizar las cabezas de espermatozoides en 5 clases diferentes, según la OMS. La evaluación experimental muestra que el esquema propuesto tiene mejor desempeño que distintos clasificadores monolíticos, así como varios esquemas de clasificación en cascada que fueron diseñados en el contexto de esta investigación. Los resultados muestran más de 70% de clasificación correcta usando un dataset de total concordancia entre expertos del área.