組織胚胎學(xué)數(shù)字化教學(xué)切片的制作體會(huì)及應(yīng)用探討

楊世明，苗青

(1．華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢430030;2．山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

●教學(xué)管理

組織胚胎學(xué)數(shù)字化教學(xué)切片的制作體會(huì)及應(yīng)用探討

楊世明1，苗青2*

(1．華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢430030;2．山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

數(shù)字切片的應(yīng)用給傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來(lái)全新變革，日益顯示出其在形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合組織胚胎學(xué)數(shù)字化教學(xué)切片的制作體會(huì)，從數(shù)字切片的特點(diǎn)、制片方法、制片過(guò)程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及目前在應(yīng)用中存在的問(wèn)題等方面進(jìn)行探討，旨在促進(jìn)數(shù)字切片系統(tǒng)軟硬件功能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，為醫(yī)學(xué)院校的組織胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供理論和技術(shù)支持。

數(shù)字切片;組織胚胎學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

組織胚胎學(xué)教學(xué)內(nèi)容具有平面和立體、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)、局部和整體相結(jié)合的特點(diǎn)。目前，形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多以細(xì)胞或組織標(biāo)本的玻璃切片為學(xué)習(xí)對(duì)象，在使用中存在較大局限性，改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式勢(shì)在必行。

一、數(shù)字切片的應(yīng)用特點(diǎn)

(一)數(shù)字切片具有玻璃切片的所有功能且易于管理，并可節(jié)省教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放成本。數(shù)字切片來(lái)源于玻璃切片，它包含了玻片標(biāo)本上的所有信息，并非一張張的靜態(tài)圖片。數(shù)字切片的管理非常方便，查詢和檢索準(zhǔn)確而迅速，并可節(jié)約玻璃切片的存儲(chǔ)空間。以前學(xué)生離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室，沒(méi)有顯微鏡和玻片標(biāo)本就無(wú)法學(xué)習(xí)，現(xiàn)在可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽數(shù)字切片，不受空間與時(shí)間限制。

(二)數(shù)字切片解除了玻片標(biāo)本存在的容易褪色的困擾，也為教師備課和考試出題提供精美的圖片資源。對(duì)于某些切片如天竺牡丹顯示的脊髓尼氏小體玻片標(biāo)本，一般制作幾年后就會(huì)褪色，顏色逐漸變淺以致看不清神經(jīng)元的形態(tài)結(jié)構(gòu)，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)很大影響。而數(shù)字切片不存在褪色的問(wèn)題，可以永久保存。我們按教學(xué)內(nèi)容制作的組織胚胎學(xué)數(shù)字切片涵蓋了各個(gè)系統(tǒng)和章節(jié)，豐富的數(shù)字切片資源為教師制作課件提供了更多的選擇。數(shù)字切片內(nèi)容統(tǒng)一，不受切片制作質(zhì)量的影響，可保證考試的公正性和客觀性。

二、數(shù)字切片的制作過(guò)程

(一)數(shù)字切片制作一般流程包括平臺(tái)控制、自動(dòng)聚焦和圖像融合過(guò)程。制片時(shí)，先按操作程序打開(kāi)顯微鏡自動(dòng)控制軟件和攝像機(jī)，復(fù)位顯微鏡硬件平臺(tái)。選用低倍物鏡對(duì)玻片標(biāo)本進(jìn)行快速掃描，顯微掃描平臺(tái)自動(dòng)將切片沿X/Y軸方向掃描移動(dòng)和Z軸方向自動(dòng)聚焦而得到圖像，生成導(dǎo)航圖。選定掃描區(qū)域后，按需要采用高倍物鏡進(jìn)一步掃描以獲得高分辨率的數(shù)字圖像。轉(zhuǎn)換物鏡時(shí)，注意調(diào)節(jié)顯微鏡燈光、聚光鏡以及相機(jī)的曝光值、白平衡、飽和度、顏色控制等，使屏幕上看到的圖像與鏡下看到的圖像基本一致，以保證拍攝質(zhì)量。在基本信息處填寫(xiě)當(dāng)前切片的名字并設(shè)好圖片保存位置后，選中自動(dòng)聚焦功能。如果切片圖像較薄且平時(shí)，可通過(guò)修改數(shù)值使自動(dòng)平臺(tái)隔幾張自動(dòng)聚焦一次，以加快拍照速度。顯微光學(xué)鏡頭的景深較小，若遇到較厚且厚薄不均的切片時(shí)，在一幅畫(huà)面中有許多模糊的地方，此時(shí)應(yīng)該采用融合拍照的方法。即對(duì)相同位置的圖像，從上到下對(duì)其拍攝一疊照片，然后再“合成”為一張圖像，最終合成的圖像包含每張圖像的最清晰的部分。在對(duì)切片進(jìn)行掃描拍照時(shí)，有的切片中含有大量無(wú)效圖像區(qū)域，可打開(kāi)空白圖像過(guò)濾功能對(duì)這部分圖像進(jìn)行過(guò)濾，不進(jìn)行自動(dòng)聚焦和自動(dòng)融合操作，以節(jié)省拍照時(shí)間。調(diào)整自動(dòng)拍照的起始點(diǎn)的圖像為清晰狀態(tài)后，點(diǎn)擊掃描當(dāng)前區(qū)域，開(kāi)始自動(dòng)拍照，自動(dòng)顯微鏡進(jìn)入自動(dòng)拍照工作階段，此階段時(shí)間根據(jù)玻片標(biāo)本的情況和選擇的拍照模式會(huì)有較大差別。如果未確定好拍照模式，可點(diǎn)擊“取消”，重新檢查分析切片，再確定拍攝參數(shù)。

(二)玻片標(biāo)本的篩選準(zhǔn)備和掃描條件控制。我們按照組織胚胎學(xué)實(shí)習(xí)指導(dǎo)中要求學(xué)生掌握的內(nèi)容，分章節(jié)將切片進(jìn)行分類(lèi)，篩選出兩套共160張結(jié)構(gòu)完整、染色清晰的玻片標(biāo)本，包括石蠟包埋和火棉膠包埋切片，切片厚度為5-50μm不等。另外，還有涂片、鋪片、壓片、磨片等標(biāo)本，染色方法涵蓋了蘇木素伊紅染色法以及各種不同的特殊染色法。我們利用數(shù)字切片系統(tǒng)將以上玻片標(biāo)本進(jìn)行掃描，制作出圖像清晰完整且分辨率高的數(shù)字切片。制片時(shí)，針對(duì)不同的玻片標(biāo)本選擇不同的掃描控制條件。對(duì)于制作良好，厚度均勻的常規(guī)蘇木素伊紅染色的玻片標(biāo)本，只需調(diào)節(jié)好視頻圖像，使用普通平掃的方式便可快速完成掃描。當(dāng)掃描厚度不夠均勻的標(biāo)本時(shí)，一般采用自動(dòng)聚焦方式拍攝。壓片法制作的運(yùn)動(dòng)終板、火棉膠包埋制作的眼球和大小腦切片、骨磨片等，因標(biāo)本很厚則需選擇自動(dòng)聚焦和融合，以獲得理想的拍攝效果。

三、數(shù)字切片制作的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字切片制作涉及顯微圖像連續(xù)采集、自動(dòng)聚焦、圖像融合、拼接、壓縮、網(wǎng)絡(luò)瀏覽等技術(shù)。性能完備的顯微鏡輔以高精度步進(jìn)電機(jī)、控制模塊和軟件，可實(shí)現(xiàn)四維定位，保證了圖像連續(xù)采集的精確度。全數(shù)字?jǐn)z像機(jī)具有高分辨率、高敏感度、低噪音、長(zhǎng)時(shí)間曝光和外觸發(fā)等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)采用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的directshow封裝技術(shù)。硬件采用進(jìn)口2/3英寸的逐行掃描CCD傳感器，最大可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)400萬(wàn)像素、分辨率為2380X1792(10FPS)圖像的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)具有白平衡調(diào)節(jié)和顏色補(bǔ)償?shù)裙δ?。?shù)據(jù)傳輸采用USB 2．0技術(shù)，最大傳輸數(shù)據(jù)達(dá)480MPS，可保證圖像實(shí)時(shí)采集。全景圖像拼接運(yùn)用了SIFT技術(shù)。SIFT算子是一種多尺度技術(shù)，由David G．Lowe在總結(jié)了現(xiàn)有的基于不變量技術(shù)的特征檢測(cè)方法，提出的一種基于尺度空間的對(duì)圖像縮放、旋轉(zhuǎn)甚至仿射變換保持不變性的圖像局部特征描述算子［1］。根據(jù)顯微圖像的特點(diǎn)，改進(jìn)SIFT算子使計(jì)算從128維降到28維，保證了準(zhǔn)確度，提高了效率。整個(gè)系統(tǒng)在技術(shù)上的創(chuàng)新在國(guó)內(nèi)外并不多見(jiàn)。采用的小波圖像壓縮技術(shù)是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外所用最廣的技術(shù)［2］。如Google Earth所用的就是該技術(shù)。這種技術(shù)在多景深圖像中可較穩(wěn)定的對(duì)多幅圖像的冗余信息和互補(bǔ)信息進(jìn)行處理，形成對(duì)所攝場(chǎng)景一致性的正確描述，圖像在不同分辨率上的能量和噪聲不會(huì)互相干擾，融合圖像的塊狀偽影也容易消除。

四、數(shù)字切片在應(yīng)用中存在的問(wèn)題

數(shù)字切片的圖片質(zhì)量取決于玻璃切片的制作質(zhì)量。必須擁有種類(lèi)齊全、制作精良、典型性強(qiáng)的玻璃切片庫(kù)，才能采集到同樣完美的數(shù)字切片庫(kù)［3］。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中接受的只是一個(gè)虛幻的東西，并不能感知其制作過(guò)程，無(wú)法想像其正常生理的實(shí)物感［4］。過(guò)分依賴數(shù)字切片的使用也使得學(xué)生無(wú)法掌握傳統(tǒng)顯微鏡的使用［5］。但數(shù)字切片仍不失為傳統(tǒng)教學(xué)方法和手段的有益補(bǔ)充。在國(guó)外大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)是相比于傳統(tǒng)的顯微鏡，絕大部分學(xué)生更喜歡通過(guò)觀察虛擬標(biāo)本片的方式進(jìn)行形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)習(xí)、測(cè)驗(yàn)和考試及自學(xué)［6］。目前，數(shù)字切片系統(tǒng)在軟硬件上尚需優(yōu)化，如通過(guò)更換相機(jī)和平臺(tái)的控制程序及研究使用新的掃描算法以提高圖片質(zhì)量、加快掃描和拍攝速度。數(shù)字切片的網(wǎng)絡(luò)瀏覽方式也有待改進(jìn)，可考慮取消安裝瀏覽軟件，直接利用IE瀏覽，使瀏覽學(xué)習(xí)更加簡(jiǎn)便快捷。

［1］李曉明，鄭鏈，胡占義．基于SIFT特征的遙感影像自動(dòng)配準(zhǔn)［J］．遙感學(xué)報(bào)，2006，10(6):885-892．

［2］邱玉寶，胡光道，車(chē)學(xué)文，等．ECW壓縮技術(shù)在高分辨率遙感圖像壓縮與分發(fā)中的應(yīng)用［J］．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(6):727-732．

［3］徐瑲，蘭歡，趙宏賢，等．組織學(xué)數(shù)字切片庫(kù)的構(gòu)建與探討［J］．基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2012，12(7):550-552．

［4］郭燕君，徐營(yíng)，沈忠飛，等．虛擬切片技術(shù)在組織胚胎學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012(23):143-145．

［5］王霞，李娟，張明，等．基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字切片系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)中的應(yīng)用［J］．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32(11):135-136．

［6］藍(lán)永洪，牛海艷，李群，等．虛擬顯微鏡系統(tǒng)在形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用［J］．中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育，2011(4):74-75．

G642．4

A

1002-1701(2015)03-0037-02

2014-06

楊世明，男，本科，主管技師，研究方向:組織胚胎學(xué)。

*通訊作者

10．3969/j．issn．1002-1701．2015．03．020