醫(yī)學(xué)成像設(shè)備圖像分析系統(tǒng)的功能及質(zhì)量控制

韓景田 周連生 竇賀榮 曲愛(ài)娜 賈桂林

醫(yī)學(xué)圖像分為宏觀和微觀兩大類。宏觀圖像分析系統(tǒng)是應(yīng)用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)制造的醫(yī)療儀器設(shè)備，包括X射線、CT、MRI(核磁共振)、超聲多譜勒等。微觀圖像分析則是指通過(guò)顯微鏡與計(jì)算機(jī)連接，將顯微鏡下的細(xì)胞、組織圖像用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、分析，以改變長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于組織和細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)只能靠人工觀測(cè)，定性或半定量描述的狀況。醫(yī)學(xué)圖像的微觀分析有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)療診斷方面，血液細(xì)胞自動(dòng)分類計(jì)數(shù)、染色體分析、癌癥細(xì)胞識(shí)別等；在新藥研制方面，研究藥物作用后生物組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，觀察藥物對(duì)機(jī)體最直接的影響，并給出規(guī)范、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)等等，比以往動(dòng)物試驗(yàn)更為準(zhǔn)確、快捷、經(jīng)濟(jì)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)形態(tài)定量和圖像分析，從宏觀到微觀，從大體到顯微鏡，甚至到亞顯微及分子水平，從而闡明形態(tài)與功能、形態(tài)與診斷、形態(tài)與病因和預(yù)后、形態(tài)與發(fā)病機(jī)制的內(nèi)在聯(lián)系[1-3]?，F(xiàn)就OLYMPUS反射熒光圖像分析系統(tǒng)的功能及質(zhì)量控制闡述如下。

1 醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)的功能

1.1 靜態(tài)圖像分析

靜態(tài)圖像分析是指圖像分析處理的實(shí)驗(yàn)樣本通常為染色組織切片、藥物粉末等，并且獲取的圖像一般不隨時(shí)間而變化，分析的圖像限于單幅，因此稱為靜態(tài)圖像。靜態(tài)圖像的來(lái)源可以從顯微鏡攝像獲取，也可以通過(guò)數(shù)碼照相機(jī)或者掃描儀掃描照片等方式獲取。分辨率、圖像清晰度是衡量靜態(tài)圖像的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。目前，顯微鏡下樣本通過(guò)攝像頭獲取圖像是最經(jīng)濟(jì)也是技術(shù)最成熟的手段。

1.2 動(dòng)態(tài)圖像分析

動(dòng)態(tài)圖像分析相對(duì)靜態(tài)圖像分析而言，圖像分析處理的實(shí)驗(yàn)樣本一般為活體的器官組織等，獲取的圖像隨時(shí)間變化而變化，分析的圖像應(yīng)該根據(jù)前后時(shí)間間隔來(lái)分析變化過(guò)程，因此稱為動(dòng)態(tài)圖像[5]。

1.3 實(shí)時(shí)圖像分析

實(shí)時(shí)圖像分析比動(dòng)態(tài)圖像分析有更嚴(yán)格的要求，即圖像分析處理的實(shí)驗(yàn)樣本一般為運(yùn)動(dòng)中的活體，獲取的圖像隨時(shí)間變化而快速變化，分析的結(jié)果在觀察結(jié)束后馬上得出，因此稱為實(shí)時(shí)圖像。

2 醫(yī)學(xué)圖像分析的一般步驟和質(zhì)量控制

2.1 樣本的準(zhǔn)備

在應(yīng)用圖像分析技術(shù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究時(shí),組織切片要盡量薄，厚度為4～5 μm，標(biāo)本之間薄厚差別不宜過(guò)大，并且要均勻，沒(méi)有褶皺。否則選取圖像時(shí)常受影響。另外，細(xì)胞重疊或雜質(zhì)掩蓋，影響判斷。載玻片厚度應(yīng)在0.8～1.2 mm之間，太厚的坡片，一方面光吸收多，另一方面不能使激發(fā)光在標(biāo)本上聚集。載玻片必須光潔，厚度均勻。蓋玻片厚度在0.17 mm左右，光潔。

2.2 圖像的獲取和處理

通過(guò)攝像頭而攫取圖像，也可對(duì)經(jīng)掃描儀、數(shù)碼相機(jī)得到的圖像進(jìn)行分析。圖像應(yīng)盡可能清晰，并選擇感興趣的圖像特征。通常要對(duì)圖像進(jìn)行處理，圖像處理是指對(duì)圖像進(jìn)行修飾，通過(guò)這種修飾去除圖像的缺陷或不足，將模糊圖像變?yōu)榍逦鷪D像或以新的圖像形式來(lái)表達(dá)原圖像等。一幅圖像常常需要某種形式的增強(qiáng)來(lái)提高其表現(xiàn)力，或者便于從圖像中提取數(shù)據(jù)，這就需要圖像增強(qiáng)技術(shù)。圖像增強(qiáng)技術(shù)既包括圖像亮度和對(duì)比度調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單操作，也包括用來(lái)提取和改善視覺(jué)信息的高深復(fù)雜的空間和形態(tài)過(guò)濾處理。常用修改強(qiáng)度指標(biāo)、應(yīng)用空間濾鏡或調(diào)節(jié)圖形頻率的方法來(lái)增強(qiáng)圖像。由于計(jì)算機(jī)圖像處理是把圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)來(lái)處理，因此，計(jì)算機(jī)圖像處理又稱為數(shù)字圖像處理[6]。獲取圖像時(shí)應(yīng)注意圖像的存儲(chǔ)格式，應(yīng)用圖像分析軟件能讀取的圖像格式來(lái)存儲(chǔ)圖像，適宜使用TIFF(.tif)格式保存圖像，而不用JPEG(.jpg)格式，否則還需進(jìn)行圖像的格式轉(zhuǎn)換。

2.3 圖像的分析

顯微圖像的分析系統(tǒng)是在顯微圖像數(shù)字化的基礎(chǔ)上，來(lái)分析顯微圖像中的相關(guān)參數(shù)。利用計(jì)算機(jī)對(duì)顯微圖像作各種處理，加快了分析處理的速度[7]。利用圖像分析系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分類，有核細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰，核漿對(duì)比鮮明，易于辨認(rèn)，提高了分類的準(zhǔn)確性[8]。

2.3.1 OLYMPUS反射熒光圖像分析系統(tǒng)

OLYMPUS反射熒光圖像分析系統(tǒng)是采用通用的分析圖像處理軟件Image pro plus。Image pro系列軟件，支持所有OLYMPUS系列數(shù)碼產(chǎn)品及OLYMPUS電動(dòng)顯微鏡組件控制，具有強(qiáng)大的圖像采集、分析、計(jì)算功能。與windows民用圖形軟件界面近似，平臺(tái)式設(shè)計(jì)，操作方便。

2.3.2 計(jì)算機(jī)圖像分析

計(jì)算機(jī)圖像分析是用計(jì)算機(jī)圖像分析系統(tǒng)對(duì)圖像結(jié)構(gòu)的定量測(cè)試，以及在此基礎(chǔ)上對(duì)圖像的定量描述、理解、識(shí)別和分類。圖像的測(cè)試是指測(cè)試圖像的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。將這些測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行分析、處理，提取出特異性好、靈敏度高、針對(duì)性強(qiáng)的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述或表達(dá)。通過(guò)比較不同細(xì)胞或組織的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立判別函數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)組織或細(xì)胞的定量識(shí)別和分類。其中灰度和光密度是圖像分析系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)。為了測(cè)定細(xì)胞中某種物質(zhì)的含量，如核酸、蛋白質(zhì)、多糖和脂類，通常利用顯色劑與所檢測(cè)物質(zhì)中一些特殊基團(tuán)特異性結(jié)合的特征，通過(guò)顯色劑在細(xì)胞中的部位和顏色的深淺度，來(lái)判斷這種物質(zhì)在細(xì)胞中的分布和含量。

2.3.3 醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)

在醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)中，灰度是用來(lái)表示數(shù)字圖像中像素顏色深淺的程度。從最黑到最亮共分為256個(gè)灰度級(jí)，最小值為0，在圖像顯示屏上為最黑點(diǎn)；最大值為255，在圖像顯示屏上為最亮點(diǎn)?；叶戎翟叫∥矬w顏色越深；圖像分析系統(tǒng)中的光密度值是由灰度值再經(jīng)計(jì)算得到的，是一個(gè)相對(duì)值[9]。圖像分析系統(tǒng)的光密度值=lg(切片標(biāo)本最亮區(qū)域的平均灰度值／待測(cè)目標(biāo)的平均灰度值)?；叶扰c光密度都能反映所測(cè)目標(biāo)顏色的深淺程度。灰度值與切片標(biāo)本制作時(shí)染色時(shí)間長(zhǎng)短以及測(cè)量時(shí)顯微鏡照明光源電壓的大小關(guān)系很大。染色時(shí)間短、照明光源的電壓強(qiáng)，待測(cè)目標(biāo)就明亮些,灰度值就大些；而光密度是一個(gè)比值。是通過(guò)計(jì)算一張切片標(biāo)本最亮區(qū)域的平均灰度值與該切片標(biāo)本中待測(cè)目標(biāo)的平均灰度值的比值，再根據(jù)數(shù)學(xué)公式計(jì)算而來(lái)的。所以，它與切片標(biāo)本染色時(shí)間長(zhǎng)短及照明光源電壓關(guān)系很小。因此，在圖像分析中光密度值比灰度值更能客觀地反映細(xì)胞中某種物質(zhì)的顯色強(qiáng)度。分析圖像時(shí)，為了保證灰度值的可比性，應(yīng)盡量使用同一批染色的切片，并在同一亮度光源下攝取圖像。因?yàn)轱@微鏡光源的亮度對(duì)攝像機(jī)攝取圖像的質(zhì)量有明顯的響，并且同一待測(cè)指標(biāo)應(yīng)由專人測(cè)量，盡量減少人為所致誤差[10]。Image pro plus軟件，可以隨意對(duì)圖像進(jìn)行距離、光亮度、角度、厚度、周長(zhǎng)面積、灰度分布、區(qū)域處理、區(qū)域標(biāo)記、吸光度、形態(tài)學(xué)參數(shù)等測(cè)量。既可以采用手動(dòng)測(cè)量，也可以采用自動(dòng)測(cè)量。具有點(diǎn)狀圖分析、直方圖分析、線形分析和表面分析及擴(kuò)展視野深度等功能。該軟件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可方便地輸出到微軟公司的EXCEL中，具有圖像分析、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理的一體化功能[11]。

2.4 儲(chǔ)存圖像的分析信息

將分析測(cè)量信息存入電子資料表Excel中，可以充分利用Excel強(qiáng)大的資料分析、統(tǒng)計(jì)、繪圖功能?？梢罁?jù)不同的檢查項(xiàng)目，設(shè)計(jì)不同的結(jié)果存儲(chǔ)功能，方便查閱圖像分析信息。

2.5 輸出圖像分析結(jié)果

圖像分析結(jié)果可以采用統(tǒng)計(jì)、直方圖、曲線等輸出方式。打印機(jī)可打印彩色拷貝圖像或由顯示器實(shí)況輸出的圖像。

3 結(jié)語(yǔ)

圖像分析主要著眼于檢測(cè)、測(cè)量和描述圖像中感興趣的目標(biāo)。圖像分析的目的主要是獲取圖像目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上建立對(duì)圖像的描述[12]。醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)是將圖像信息收集、處理、測(cè)量、計(jì)算、分析后，得出圖像各部分?jǐn)?shù)量變化的分析儀器，具備較強(qiáng)的醫(yī)學(xué)圖像分析能力，可用于細(xì)胞的核漿比測(cè)量、免疫組化染色圖片分析、顆粒分析、DNA分析、淋巴細(xì)胞亞群分析、凋亡細(xì)胞分析等。醫(yī)學(xué)圖像分析是圖像、圖形技術(shù)的一個(gè)重要而又廣闊的研究及應(yīng)用領(lǐng)域，是圖像、圖形技術(shù)的一個(gè)重要分支。圖像是視覺(jué)信息的載體，圖像分析處理技術(shù)是研究視覺(jué)信息采集存貯、處理和利用的技術(shù)。因此，在信息時(shí)代，傳統(tǒng)的目視光學(xué)顯微觀測(cè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和普及，數(shù)字圖像處理進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期。

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