MELANIX - Traitement graphique
VII.2 Solutions traditionnelles et systèmes de traitements des électrophorèses
VII.2.2 Systèmes informatiques de traitement des é- é-lectrophorèses bidimensionnelles
Dans le domaine de la détection des taches dans les électrophorèses bidi-mensionnelles, plusieurs travaux importants sont à mentionner :
• TYCHO [ATS*81], un des premiers systèmes de détection des taches utilisant l'ordinateur,
• ELSIE [MVN*82], logiciel assez complet d'analyse d'images de gels,
• QUEST [GFB84,GFJ86], une base de données d'images de gels,
• HERMES [VRT*86], un système de traitement des images de gels, util-isant la morphologie mathématique,
• GELLAB [1181], un système d'extraction des taches et de comparaison de gels.
VII.2.2.1 TYCHO
Le système TYCHO [ATS*81] a été développé sur une machine PDP-11/60, auquel était relié un processeur vectoriel AP-120B. Le but du système est :
• élimination du bruit de fond,
• détection des taches significatives,
• modélisation gaussienne des taches, comparaison et appariement.
TYCHO est basé sur une modélisation gaussienne des taches. Cette ap-proche est intéressante, car, sur un gel d'électrophorèse bidimensionnelle, une tache prend théoriquement une forme gaussienne. Malheureusement, dans la pratique, ceci dû aux imperfections de la méthode biochimique, les taches apparaissent avec des formes variables et irrégulières. Seule une partie des taches approche une gaussienne (fig. VII.3). D'autre part, ce système présente certains inconvénients majeurs :
122 CHAPITRE VII. MELANIX -TRAITEMENT GRAPHIQUE
• malgré l'utilisation d'un processeur vectoriel, le temps d'exécution est long;
• le système TYCHO n'est pas entièrement automatique. Il permet une intervention interactive de l'utilisateur, pour corriger le résultat de la modélisation (ajouter des taches manquantes, détruire, déplacer et modifier les existantes). Ce travail interactif représente souvent plusieurs heures de travail pour chaque gel et introduit la subjectivité dans le traitement de l'image;
• l'aspect qualitatif de l'image originale n'est pas préservé.
L'approche générale pour éliminer le bruit de fond et les traînées, est de prendre le minimum d'une région déterminée, entourant chaque point de l'image. Ces régions sont des lignes horizontales ou verticales, utilisées pour balayer l'image parallèlement aux axes X et Y. Cette méthode permet d'éliminer le bruit de fond, ainsi que les traînées verticales et horizontales.
L'image est ensuite corrigée par un filtre médian de 3 x 3 éléments, afin d'obtenir l'image qui sera utilisée pour la détection.
La détection des taches se fait par une convolution de l'image originale, corrigée avec un filtre de 21 x 15 éléments en forme de croix. Ceci localise les sommets des taches, qui sont alors chacune modélisées mathématiquement selon une gaussienne, au moyen de la méthode des moindres carrés.
Un algorithme d'appariement a été développé, permettant d'établir une correspondance entre les taches de deux gels. L'utilisateur doit apparier manuellement une dizaine de taches avant que cet algorithme ne calcule, par transformations locales, les autres appariements. Les deux gels à com-parer doivent être fortement semblables, pour que l'appariement réussisse convenablement.
VII.2.2.2 ELSIE
Le système ELSIE [MOT83], développé par Mark Miller sur une machine VAX-11/750, est un programme complexe et sophistiqué, qui accomplit un
Solutions traditionnelles
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Figure VIl.3: Analyse d'un gel par le système TYCHO
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124 CHAPITRE VII. MELANIX - TRAITEMENT GRAPHIQUE
grand nombre d'opérations sur des images d'électrophorèse bidimension-nelle, dont :
• détection des taches,
• mesure des densités,
• comparaison d'images.
ELSIE se présente sous la forme d'un logiciel complet fournissant à l'utilisateur des outils facilitant l'exécution de ces opérations, ainsi que l'édition des résultats. Par exemple, on peut comparer plusieurs gels entre eux, de manière entièrement automatique, puis extraire graphiquement du résultat obtenu les informations désirées, selon un certain critère (par ex-emple : toutes les taches apparaissant dans le gel A, mais n'apparaissant ni dans le gel B, ni dans le gel C).
Le principe de base de ELSIE diffère de celui de TYCHO, par le fait que le système ne cherche pas à modéliser les protéines, mais a comme objectif de localiser et cerner les taches le plus exactement possible.
Pour détecter une tache, ELSIE calcule la convolution de l'image G, avec une fonction F du zième degré à deux variables. Ainsi, un point (Xr, Y,) de l'image appartient à une tache, si la condition suivante est satisfaite :
J(Xr, Y,)=
L
F(X;, YJ * G(X;, Yj) <s,
R
où:
• G est la fonction décrivant l'image,
• F est la fonction du zième degré à deux variables,
• R est une région rectangulaire ou elliptique centrée au point(Xr, Y,),
• S
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0 est une limite prédéfinie.Solutions traditionnelles 125
Chaque tache est définie par son centre de gravité. Le contour extérieur de la protéine est trouvé en étendant la tache, par rayonnement à partir de son centre. Le calcul de la densité est fait par l'intégration de la densité optique d'une tache, après élimination du bruit de fond.
ELSIE offre à l'utilisateur un outil très puissant pour la détection et la comparaison des taches. Néanmoins, le système est prévu pour traiter des gels d'électrophorèse bidimensionnelle développés par autoradiogra-phie. Les algorithmes utilisés par ce programme ne se prêtent pas toujours bien à l'analyse de gels d'électrophorèse bidimensionnelle produits à par-tir d'échantillons différents et développés selon d'autres procédés, tels ceux employés par MELANIE et décrits dans le chapitre IV.
VII.2.2.3 QUEST
J.I.Garrels a développé le système QUEST (Quantitative Electrophoresis STan-dardized) [GFB84,GFJ86] qui incorpore trois fonctions:
1. production de gels d'électrophorèse bidimensionnelle, 2. système informatique d'analyse des gels,
3. base de données pour les gels et les protéines.
Implanté sur une machine PDP-11/60, le programme de traitement de l'image effectue une modélisation gaussienne unidimensionnelle, qui détecte et quantifie les taches d'un gel en quelques 20 minutes. Garrels s'est limité à la modélisation unidimensionnelle, car selon lui, elle suffit à détecter les taches isolées et une grande partie des taches superposées. D'autre part, Garrels prétend qu'une modélisation bidimensionnelle prendrait trop de temps de calcul.
QUEST comprend également un système de comparaison de deux gels qui s'effectue automatiquement, après que l'utilisateur ait spécifié inter-activement un certain nombre d'appariements initiaux.
126 CHAPITRE VII. MELANIX - TRAITEMENT GRAPHIQUE VII.2.2.4 HERMES
HERMES [VRT*86] est un système de traitement des images de gels d'élec-trophorèse bidimensionnelle. Après une étape de filtrage des images, basée sur les techniques de la morphologie mathématique, la détection des taches est réalisée par un automate de détection de contours.
La méthode de comparaisons multiples des gels utilise les techniques de la reconnaissance syntaxique de patterns. L'introduction de notions de vraisemblances permet de comparer plusieurs hypothèses d'appariement.
Une structure de base de données et ses logiciels d'interrogations ont été implantés, ainsi que plusieurs outils statistiques de traitement des données sur les gels.
VII.2.2.5 GELLAB
Enfin, il faut citer GELLAB [LL81], un système d'extraction de taches et de comparaison de gels assisté par ordinateur. L'extraction est basée sur des heuristiques liées au domaine et sur des propriétés des dérivées secondes. Le programme est écrit dans le langage SAIL sur ordinateur DEC-20 et est très difficilement portable.