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Automatisierte Beurteilung und Selektion kultivierter Embryos in der assistierten Reproduktionsmedizin

  • Die morphologische Beurteilung menschlicher Embryos ist ein zeitaufwändiger Prozess in der assistierten Reproduktionsmedizin. Etwa fünf Tage entwickeln sich die Embryos bei einer IVF-Behandlung außerhalb des menschlichen Körpers, bevor Embryologinnen und Embryologen die Entscheidung über die zu transferierenden – also die für die Einleitung einer künstlich herbeigeführten Schwangerschaft zu verwendenden – Embryos anhand unterschiedlicher Bewertungskriterien treffen. Im Anschluss an eine Einführung in die Embryologie werden in dieser Arbeit mögliche Methoden zur automatisierten Embryoselektion besprochen, implementiert, miteinander verknüpft und abschließend evaluiert. Die Arbeit beschränkt sich mit dem EmbryoScope auf einen Zeitrafferinkubator, welcher in den IVF Zentren Prof. Zech in Bregenz in den letzten Jahren viele Millionen Bilder tausender befruchteter Eizellen und den daraus entstehenden Embryos aufgenommen hat. Dieses Gerät diente als Datenquelle zur Unterstützung bei der Entwicklung des Analysetools. Das entstandene Softwareprodukt wurde so programmiert, dass gegebenen Daten vorverarbeitet und unter Anwendung von Bildmanipulationsverfahren und komplexer neuronaler Netze analysiert werden können. Das Ergebnis ist eine Software zur Erkennung und Bewertung unterschiedlicher Parameter der Embryoentwicklung, um daraus Vorschläge für die Selektion der zu transferierenden Embryos generieren und übersichtlich präsentieren zu können. Zur Evaluierung des Systems konnten drei Embryologinnen und Embryologen aus drei IVF Kliniken unterschiedlicher europäischer Länder gewonnen werden, um anhand einer eigens entwickelten Annotationssoftware Vergleichsdaten zu generieren. Als Endergebnis der Arbeit wurde die Einheitlichkeit dieser erhaltenen Annotationsdaten mit den errechneten Vorschläge anhand unterschiedlicher Kriterien berechnet. Die Transferierbarkeit eines einzelnen Embryos konnte im Vergleich zur Entscheidung des Laborpersonals in 73 % der Fälle korrekt erkannt werden. Bezogen auf eine gesamte IVF Behandlung konnte bei den tatsächlich zu transferierenden Embryos eine vollumfängliche Einheitlichkeit von 26 % mit den Embryologinnen und Embryologen erreicht werden. Embryos, welche von dem entstandenen Analysetool als transferierbar erkannt und unter Beachtung weiterer vorhandener Embryos für die weitere Behandlung vorgeschlagen wurden, sind in 63 % der Fälle für einen Transfer geeignet. Das entstandene Vorschlagsystem ist als Proof of Concept zu verstehen, welches in späteren Arbeiten durch tiefgreifendere Analysen erweitert werden kann. Ein Einsatz des Systems ist aufgrund der geringen Analysesicherheit, sowie technischen und rechtlichen Einschränkungen zum Abschluss der vorliegenden Arbeit nicht vorgesehen.
  • The morphological assessment of human embryos is a time-consuming process in assisted reproductive medicine. In IVF2 treatment, the embryos develop outside the human body for about five days before embryologists select the ones to be transferred - i.e. the ones used to induce an artificially caused pregnancy - based on different assessment criteria. Following an introduction to embryology, this thesis discusses, implements, links, and finally evaluates possible methods for automated embryo selection. With the EmbryoScope, the work is limited to a time-lapse incubator, which has recorded many millions of images of thousands of fertilized oocytes in the IVF Zentren Prof. Zech in Bregenz in recent years. This device served as a data source to support the development of the analysis tool. The resulting software product can preprocess the given data and analyze them using image manipulation techniques and complex neural networks. The result is a software for the recognition and evaluation of different parameters of embryo development, to be able to generate and clearly present suggestions for the selection of the embryos to be transferred. For the evaluation of the system, three embryologists from three IVF clinics in different European countries could be recruited to generate comparative data using a specially developed annotation software. As a result of the work, the uniformity of these obtained annotation data was compared with the suggestions calculated by the developed analysis software. The transferability of a single embryo could be correctly detected in 73 % of cases compared to the decision of the laboratory staff. In relation to an overall IVF treatment, 26 % of the oocytes to be transferred were consistent with the embryologists. Embryos that were identified as transferable by the resulting analysis tool and proposed for further treatment, considering other existing embryos, are suitable for transfer in 63 % of cases. The resulting suggestion system is to be understood as a proof of concept, which can be extended in subsequent developmental steps by further, more in-depth analyses. A productive use of the system is not planned at the end of the present work due to the low analysis reliability and technical as well as legal restrictions.

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Metadaten
Author:Florian Richter
DOI:https://doi.org/10.25924/opus-3680
Title Additional (English):Automated assessment and selection of cultured embryos in assisted reproductive medicine
Advisor:Hans-Joachim Vollbrecht
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Year of publication:2020
Publishing Institution:FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Granting Institution:FH Vorarlberg (Fachhochschule Vorarlberg)
Release Date:2020/11/05
Tag:Automatisierung; Embryologie; IVF; Maschinelles Lernen
Machine-learning
Number og pages:XVII, 146
DDC classes:000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft / 000 Allgemeines, Wissenschaft / 004 Informatik
Open Access?:ja
Course of Studies:Informatik
Licence (German):License LogoUrhG - The Austrian Copyright Act applies - Es gilt das österr. Urheberrechtsgesetz