Image-Pro Plus在眼科角膜上皮愈合面積測量中的應(yīng)用

伍喜媛,秦 莉,陳宇璽

(1西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院眼科,陜西 西安 710061;2西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)技系,陜西 西安 710021;3西安建筑科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心,陜西 西安 710055)

Image-Pro Plus在眼科角膜上皮愈合面積測量中的應(yīng)用

伍喜媛1,2,秦 莉1,陳宇璽3

(1西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院眼科,陜西 西安 710061;2西安醫(yī)學(xué)院醫(yī)技系,陜西 西安 710021;3西安建筑科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心,陜西 西安 710055)

介紹了 Im age-Pro Plus軟件的圖像分析功能,它對角膜愈合面積可進(jìn)行精確的測量,這種精確的量化測量對于臨床上衡量角膜上皮愈合率和上皮生長速率等指標(biāo)都具有重要意義。該軟件可以廣泛應(yīng)用于藥物藥效研究、角膜接觸鏡應(yīng)用研究、準(zhǔn)分子激光角膜手術(shù)效果評價(jià)、角膜堿燒傷等應(yīng)用領(lǐng)域。

角膜損傷面積;Im age-Pro Plus;愈合面積測量

角膜上皮損傷愈合的研究是角膜疾病中非常重要的內(nèi)容。各種有關(guān)角膜上皮的損傷研究[1-3],無論是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還是臨床研究,大多用熒光素鈉染色后角膜上皮著染面積的大小來反映其愈合情況,是目前臨床上較為客觀的評價(jià)指標(biāo)之一。通過測量角膜上皮的著染面積就可以計(jì)算出角膜上皮的愈合速率,進(jìn)而通過該數(shù)值就可表達(dá)不同藥物在促進(jìn)角膜上皮愈合時(shí)的療效,以及評價(jià)各種類型的角膜接觸境、準(zhǔn)分子激光角膜手術(shù)術(shù)后對角膜上皮的影響。

目前,臨床上測量角膜上皮損傷面積主要有直接觀察估算法和軟件輔助測量法。直接觀察測量法在裂隙燈顯微鏡下直接觀察角膜并參照測量儀器(如直尺等)尺度估算角膜上皮損傷面積,該方法受觀察者主觀因素影響較大,而且較為粗略。軟件輔助測量法首先通過裂隙燈顯微照相系統(tǒng)拍攝角膜照片,然后用 Im ageEye和AutoCAD軟件計(jì)算角膜上皮著染面積[4],這種方法相對可靠,但也存在問題。主要表現(xiàn)在:臨床中大量的角膜上皮染色后所成圖像是形狀不規(guī)則且分散不連續(xù)的圖形,這時(shí)用 Im age Eye/AutoCAD軟件測量著染圖像面積精度不高,誤差較大。針對這個(gè)問題,該文擬通過 Im age-Pro Plus軟件測量角膜上皮著染面積,使測量結(jié)果能更加準(zhǔn)確地反映角膜上皮損傷愈合的量化程度。

1 Im age-Pro Plus功能簡介

Im age-Pro Plus[5]是M edia Cybernetics公司研發(fā)的圖像分析軟件包,適合于熒光成像、質(zhì)量控制、材料成像及其他多項(xiàng)科研、醫(yī)學(xué)與工業(yè)應(yīng)用。目前,臨床醫(yī)學(xué)診斷除了根據(jù)病史、癥狀、體征外,主要還是借助影像輔助診斷,在顱內(nèi) CT、胸部 X線片、骨科、眼科等臨床應(yīng)用和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中,Im age-Pro Plus可以完成影像輸入、影像增強(qiáng)、影像分析、報(bào)告、存檔、輸出等功能;在非破壞性檢測、偽彩色圖像、CT圖像、MR I影像、神經(jīng)分子顯像等方面,Im age-Pro Plus都有著廣泛的應(yīng)用。Im age-Pro Plus可與絕對空間刻度校準(zhǔn),完成尺度測量;此外,還可以進(jìn)行濃度測量、絕對光密度測量,生成點(diǎn)聚圖、直方圖、頻譜圖、線譜圖(L ineProfile)或偽彩色顯示結(jié)果。除了具有非常豐富的測量功能之外,Im age-Pro Plus還允許用戶自行編寫針對特定應(yīng)用的宏和插件,使復(fù)雜繁瑣的測量任務(wù)簡化為一個(gè)簡單批處理命令。

2 Im age-Pro Plus在測量角膜上皮愈合面積中的應(yīng)用

2.1 角膜上皮著染圖像的采集

該文以經(jīng)環(huán)鉆術(shù)后的兔眼角膜上皮著染圖像為例,說明 Image-Pro Plus的應(yīng)用。在測量角膜上皮著染圖像面積之前,應(yīng)該采集得到待測圖像。圖像采集過程如下:對實(shí)驗(yàn)兔進(jìn)行環(huán)鉆手術(shù),手術(shù)當(dāng)日及術(shù)后每日用藥前均進(jìn)行行裂隙燈顯微鏡照相,照相前使用 1%熒光素對角膜進(jìn)行染色,裂隙燈鈷藍(lán)光下用彩色反轉(zhuǎn)膠卷攝 16倍角膜像。最后,將反轉(zhuǎn)照片輸入計(jì)算機(jī),準(zhǔn)備用 Image-Pro Plus軟件進(jìn)行分析處理。

2.2 Im age-Pro Plus在測量角膜上皮愈合面積中的應(yīng)用

Image-Pro Plus功能強(qiáng)大,界面友好。在眼科相關(guān)實(shí)驗(yàn)中,它可以完成角膜上皮著染圖像的采集輸入。目前,輸入圖像格式支持 tiff、jpeg、bmp、gif、tga、pcx以及視頻 avi格式輸入,完全兼容大多數(shù)裂隙燈顯微照相系統(tǒng)的輸出文件格式;它還可以對待測量角膜圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,包括圖像動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整 (disp lay range)、圖像對比度增強(qiáng) (contrast enhancement)、圖像平衡調(diào)整(equalize)、圖像反轉(zhuǎn)變換(image invert)等,這在臨床實(shí)驗(yàn)中非常有用,因?yàn)榱严稛麸@微鏡下拍攝角膜圖像的質(zhì)量受實(shí)驗(yàn)兔配合程度、實(shí)驗(yàn)臺及光照等因素影響而使拍攝的圖像質(zhì)量受到干擾和影響,這時(shí)候可以在 Im age-Pro Plus軟件里進(jìn)行上述增強(qiáng)處理,減少不必要的重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù),節(jié)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)次數(shù)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

Im age-Pro Plus最突出的功能是它的圖像測量功能。根據(jù)圖像測量目的不同,Im age-Pro Plus可以完成圖像尺度校準(zhǔn)、圖像任意兩點(diǎn)距離測量、圖像內(nèi)任意形狀區(qū)域面積測量、圖像中相似顏色目標(biāo)區(qū)域自動(dòng)提取、測量目標(biāo)自動(dòng)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、測量目標(biāo)自動(dòng)示蹤等功能。其中,圖像中相似顏色目標(biāo)區(qū)域自動(dòng)提取功能在角膜著染圖像面積測量中非常有用。

臨床實(shí)際中,裂隙燈顯微鏡下兔眼角膜著染區(qū)域是整個(gè)角膜區(qū)域內(nèi)的一個(gè)單區(qū)域或多個(gè)分離區(qū)域集合,這些著染區(qū)域的形狀往往極不規(guī)則,不規(guī)則區(qū)域面積測量在以往比較困難。有些軟件需要事先人工勾勒出這些區(qū)域的輪廓才能進(jìn)行面積計(jì)算,然而當(dāng)區(qū)域形狀無規(guī)則及區(qū)域數(shù)量非常多時(shí),人工勾勒非常繁瑣耗時(shí)。借助 Im age-Pro Plus提供的相似顏色目標(biāo)區(qū)域自動(dòng)提取功能,這項(xiàng)工作完全可以自動(dòng)完成。

對于單區(qū)域分布的角膜上皮著染圖像,在 Image-Pro Plus中可以比較方便地進(jìn)行面積測量。首先通過File/Open菜單打開圖像文件(如圖1所示),可以看到角膜位于眼睛圖像的中央,其周圍是虹膜區(qū),著染后的角膜上皮圖像呈亮綠色,與未著染的上皮及虹膜區(qū)在顏色上有明顯的差別,因此可以使用Image-Pro Plus的相似顏色自動(dòng)提取功能將著染區(qū)域自動(dòng)提取出來。在操作時(shí),選擇M easure菜單下的Count/Size|M anual|Select Colors選項(xiàng),軟件進(jìn)入測量區(qū)域自動(dòng)提取模式,用鼠標(biāo)在角膜著染區(qū)內(nèi)任意位置點(diǎn)擊一下,無論角膜著染區(qū)是什么形狀,軟件都會自動(dòng)根據(jù)著染區(qū)顏色相似性將整個(gè)區(qū)域提取出來,為下一步著染區(qū)面積測量做好準(zhǔn)備(如圖 2所示)。

圖 1 待測量角膜圖像

圖 2 單角膜著染區(qū)測量圖像

提取著染區(qū)圖像后,選擇應(yīng)用模板(app lym ask)選項(xiàng),再繼續(xù)選擇計(jì)數(shù)(count)菜單中的查看測量數(shù)據(jù)(view|m easurem ent data)選項(xiàng),即可得到所選區(qū)域的面積(以像素為單位),如圖 3所示。

圖 3 單角膜著染區(qū)測量結(jié)果圖

對于角膜上皮著染區(qū)呈多個(gè)分離區(qū)域集合的情況(如圖 4所示),其圖像分辨率為 3 456×2 304像素,方法類似于單區(qū)域測量。不同點(diǎn)在于軟件自動(dòng)會將所有多個(gè)分離角膜區(qū)域的面積全部計(jì)算出來,角膜著染總面積是這些小區(qū)域面積的統(tǒng)計(jì)求和。

圖 4 多個(gè)分離角膜著染區(qū)面積測量圖

上述測量數(shù)據(jù)在 Im age-Pro Plus中可以方便地導(dǎo)出為 Excel格式,借助 Excel軟件強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析及報(bào)表功能可以將術(shù)后幾小時(shí)、幾天至幾周測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,從而準(zhǔn)確量化地計(jì)算出在不同藥物及實(shí)驗(yàn)因素作用下的角膜上皮愈合速率。

2.3 Im age-Pro Plus測量角膜上皮損傷愈合面積時(shí)的注意事項(xiàng)

由于軟件自動(dòng)選取角膜愈合區(qū)域時(shí)會把周圍無關(guān)的多個(gè)區(qū)域選上,如圖 4中標(biāo)號為 1232的區(qū)域所示。這時(shí)需要從軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果中挑選出對應(yīng)角膜著染區(qū)的測量數(shù)據(jù),忽略這些無關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行面積匯總求和。

另外一個(gè)需要注意的問題是:用 Im age-Pro Plus測量到的角膜面積以像素為單位,只能反映角膜愈合面積的相對變化,不能反映著染面積的絕對數(shù)值,因?yàn)橄袼睾兔娣e并無直接對應(yīng)關(guān)系。對這一問題可采用如下思路解決:王庭剛[4]在裂隙燈顯微鏡視野內(nèi)放置一個(gè)直尺,用以反映真實(shí)尺寸和圖像尺寸的比例關(guān)系,借助這個(gè)方法可以推算出以像素為單位的圖像面積和以尺度(平方毫米、平方厘米等)為單位圖像面積之間的比例關(guān)系,進(jìn)而推算出所測角膜著染圖像的絕對面積。

3 Im age-Pro Plus測量角膜愈合面積和其他測量方法的對比

在臨床醫(yī)療診斷和新藥物研制中,長期以來對角膜上皮愈合面積情況形態(tài)只能靠人工觀測,其存在的主要缺點(diǎn):一是只能做到定性或半定量描述,無法規(guī)范、準(zhǔn)確地給出藥物或治療手段介入后角膜或組織變換最基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);二是不同的測量人主觀判斷標(biāo)準(zhǔn)會有不同,檢驗(yàn)結(jié)果缺乏客觀性;三是測量角膜愈合面積基本上是人工在顯微鏡下觀察,缺乏自動(dòng)化的手段,測量效率低。采用 Im age-Pro Plus軟件測量角膜愈合面積,優(yōu)點(diǎn)如下:一是可以做到定量測量,比起定性或半定量描述有了本質(zhì)的改善:二是比較客觀,可克服不同測量人員的主觀性;三是可以做到自動(dòng)化測量、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與分析,相比主觀的人工方法[6-7]用顯微鏡結(jié)合其他度量儀器更加準(zhǔn)確,測量速度也更快。

此外,與用 IMAGeye/AutoCAD軟件角膜愈合面積[4]的方法相比,Im age-Pro Plus的優(yōu)點(diǎn)是可以測量角膜上皮為多個(gè)相互分離的小區(qū)域的情況,能夠?qū)⒔悄じ鱾€(gè)小區(qū)域面積精確測量,然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求和得到角膜整體愈合面積數(shù)據(jù),而且測量時(shí)操作更方便、方法更通用、測量速度更快、在臨床上更加實(shí)用。

臨床和藥物實(shí)驗(yàn)往往要大批量處理長時(shí)間拍攝的很多角膜圖像,有時(shí)候圖像數(shù)量多達(dá)成百數(shù)千,人工處理或用其他軟件處理非常繁瑣耗時(shí)。針對這種情況,Im age-Pro Plus可以通過編寫宏命令,使這種繁瑣重復(fù)的測量任務(wù)簡化為幾個(gè)簡單批處理命令,大大降低測量工作量、提高工作效率。

4 Im age-Pro Plus在眼科圖像分析中的價(jià)值及臨床推廣意義

通過上述介紹,可以看到 Im age-Pro Plus具有強(qiáng)大的圖像分析測量功能,完全可以勝任眼科角膜著染圖像面積測定工作,對眼科臨床療效評價(jià)、藥物藥效對比分析以及眼科實(shí)驗(yàn)教學(xué)、眼科醫(yī)學(xué)研究等涉及到的圖像分析測量問題,Im age-Pro Plus也可以發(fā)揮重要作用。此外,對需要進(jìn)行影像輔助分析診療的其他臨床科室,例如顱內(nèi)CT、胸透X線片、骨科影像等臨床應(yīng)用和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn),Im age-Pro Plus都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[1]馬小力,孔珺,張勁松,等.復(fù)式滋養(yǎng)層培養(yǎng)法構(gòu)建組織工程化小鼠角膜上皮的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(1):28-35

[2]劉承泉,熊平.家兔角膜上皮和內(nèi)皮細(xì)胞DNA含量與 PM I關(guān)系的圖像分析[J].法醫(yī)學(xué)雜志,2003,19(2):76-77

[3]邱曉,龔嵐,陳敏潔.兔機(jī)械性角膜上皮損傷對結(jié)膜杯狀細(xì)胞及結(jié)膜上皮細(xì)胞的作用研究[J].中國實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào),2008,16(6):401-407

[4]王庭剛.小牛血去蛋白提取物眼凝膠治療角膜上皮缺損的初步臨床研究[D].重慶:第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院,2007

[5]許揚(yáng),趙英凱,畢明剛,等.Im age-Pro Plus圖像分析軟件定量雞胚尿囊膜血管新生面積的方法[J].中國比較醫(yī)學(xué)雜志,2007,17(12):745-747

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[7]陳敏潔,龔嵐,邱曉.兔機(jī)械性角膜上皮損傷后傷口愈合的形態(tài)學(xué)動(dòng)態(tài)變化 [J].中國實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)報(bào),2009,17 (1):36-40

App lica tion of Im age-Pro Plus in cornea hea ling aream easurem en t

W u X iyuan1,2,Q in L i1,Chen Yuxi3
(1Departm en t ofOph tha lm o logy,M ed ica l School of X i’an Jiaotong University,X i’an 710061;2D epartm en t ofM ed ica l Techno logy,X i’anM ed ica l Co llege,X i’an 710021;3N etw ork Cen ter,X i’an Un iversity ofArchitecture&Technology,X i’an 710055,China)

The paper introduces the im age analysis function of Im age-Pro Plus software,w hich canm ake p recisem easurem entof healing area ofwounded cornea.Therefore,this p recise quantitative m easurem ent isof great significance in c linicallym easuring the healing rate ofwounded cornealep ithelia and grow ing rate of corneal ep ithelia.Im age-Pro Plus software can bew idely app lied in research on drug effectand contact lens app lication,evaluation of photorefractive keratectom y,and corneal alkaliburn.

wounded corneal healing area;Im age-Pro Plus;healing aream easurem ent

G434

A

:1004-5287(2010)02-0183-03

2009-12-11

伍喜媛(1974-),女,陜西銅川人,碩士在讀,學(xué)士,主要研究方向:眼科學(xué)。

秦莉(1962-),女,陜西銅川人,碩士,主任醫(yī)師,教授,主要研究方向:白內(nèi)障、眼表疾病。

電話:13709212916;E-mail:eyeqin li@163.com