Przetwarzanie obrazu mikroskopowego

Przetwarzanie obrazu mikroskopowego to szerokie pojęcie, które obejmuje wykorzystanie technik cyfrowego przetwarzania obrazu do przetwarzania, analizy i prezentacji obrazów uzyskanych z mikroskopu . Takie przetwarzanie jest obecnie powszechne w wielu różnych dziedzinach, takich jak medycyna , badania biologiczne , badania nad rakiem , testowanie leków , metalurgia itp. Wielu producentów mikroskopów projektuje obecnie specjalne funkcje, które umożliwiają interfejs mikroskopów z systemem przetwarzania obrazu .

Akwizycja obrazu

Aż do wczesnych lat 90. większość akwizycji obrazu w zastosowaniach mikroskopii wideo była zwykle wykonywana za pomocą analogowej kamery wideo, często po prostu kamer telewizyjnych z obwodem zamkniętym. Chociaż wymagało to użycia frame grabbera do digitalizacji obrazów, kamery wideo zapewniały obrazy z pełną szybkością klatek wideo (25-30 klatek na sekundę), umożliwiając nagrywanie i przetwarzanie wideo na żywo. Chociaż pojawienie się detektorów półprzewodnikowych przyniosło kilka korzyści, kamera wideo pracująca w czasie rzeczywistym była pod wieloma względami lepsza.

Obecnie akwizycja jest zwykle wykonywana za pomocą kamery CCD zamontowanej na ścieżce optycznej mikroskopu. Kamera może być pełnokolorowa lub monochromatyczna. Bardzo często stosuje się kamery o bardzo wysokiej rozdzielczości, aby uzyskać jak najwięcej bezpośrednich informacji. kriogeniczne jest również powszechne, aby zminimalizować hałas. Często cyfrowe aparaty fotograficzne używane do tego zastosowania dostarczają pikseli w rozdzielczości 12-16 bitów, znacznie wyższej niż w konsumenckich produktach do przetwarzania obrazu.

Jak na ironię, w ostatnich latach wiele wysiłku włożono w pozyskiwanie danych z szybkością wideo lub wyższą (25-30 klatek na sekundę lub wyższą). To, co kiedyś było proste w przypadku zwykłych kamer wideo, wymaga teraz specjalnej, szybkiej elektroniki do obsługi ogromnej przepustowości danych cyfrowych.

Wyższa prędkość akwizycji umożliwia obserwację dynamicznych procesów w czasie rzeczywistym lub przechowywanie ich w celu późniejszego odtworzenia i analizy. W połączeniu z wysoką rozdzielczością obrazu podejście to może generować ogromne ilości nieprzetworzonych danych, co może stanowić wyzwanie nawet przy użyciu nowoczesnego komputerowego .

Należy zauważyć, że chociaż obecne detektory CCD umożliwiają bardzo wysoką rozdzielczość obrazu , często wymaga to kompromisu, ponieważ dla danego rozmiaru chipa wraz ze wzrostem liczby pikseli rozmiar piksela maleje. W miarę jak piksele stają się mniejsze, głębokość ich studni zmniejsza się, zmniejszając liczbę elektronów, które można przechowywać. To z kolei skutkuje gorszym stosunkiem sygnału do szumu .

Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy dobrać odpowiedni czujnik do danej aplikacji. Ponieważ obrazy mikroskopowe mają wewnętrzną rozdzielczość graniczną, często nie ma sensu używanie hałaśliwego detektora o wysokiej rozdzielczości do akwizycji obrazu. Skromniejszy detektor, z większymi pikselami, często może generować obrazy o znacznie wyższej jakości z powodu zmniejszonego szumu. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach o słabym oświetleniu, takich jak mikroskopia fluorescencyjna .

Ponadto należy również wziąć pod uwagę wymagania dotyczące rozdzielczości czasowej aplikacji. Detektor o niższej rozdzielczości często będzie miał znacznie wyższą szybkość akwizycji, umożliwiając obserwację szybszych zdarzeń. I odwrotnie, jeśli obserwowany obiekt jest nieruchomy, można chcieć uzyskać obrazy w najwyższej możliwej rozdzielczości przestrzennej bez względu na czas potrzebny do uzyskania pojedynczego obrazu.

Techniki obrazu 2D

Przetwarzanie obrazu do zastosowań mikroskopowych rozpoczyna się od podstawowych technik mających na celu jak najdokładniejsze odtworzenie informacji zawartych w próbce mikroskopowej. Może to obejmować regulację jasności i kontrastu obrazu, uśrednianie obrazów w celu zmniejszenia szumów obrazu i korygowanie nierównomierności oświetlenia. Takie przetwarzanie obejmuje tylko podstawowe operacje arytmetyczne między obrazami (tj. dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie). Zdecydowana większość obróbki obrazu mikroskopowego ma taki charakter.

Inna klasa typowych operacji 2D, zwana splotem obrazu , jest często używana do zmniejszania lub ulepszania szczegółów obrazu. Takie algorytmy „rozmycia” i „wyostrzenia” w większości programów działają poprzez zmianę wartości piksela w oparciu o sumę ważoną piksela i otaczających pikseli (bardziej szczegółowy opis splotu opartego na jądrze zasługuje na osobny wpis) lub zmianę domeny częstotliwości funkcji obrazu przy użyciu transformaty Fouriera . Większość technik przetwarzania obrazu jest wykonywana w domenie częstotliwości.

Inne podstawowe techniki dwuwymiarowe obejmują operacje takie jak obracanie obrazu, wypaczanie, równoważenie kolorów itp.

Czasami stosuje się zaawansowane techniki w celu „cofnięcia” zniekształcenia ścieżki optycznej mikroskopu, eliminując w ten sposób zniekształcenia i rozmycie spowodowane przez oprzyrządowanie. Ten proces nazywa się dekonwolucją i różnymi algorytmami zostały opracowane, niektóre o dużej złożoności matematycznej. Efektem końcowym jest obraz znacznie ostrzejszy i wyraźniejszy, niż można by uzyskać w samej domenie optycznej. Jest to zazwyczaj operacja trójwymiarowa, która polega na analizie obrazu wolumetrycznego (tj. obrazów wykonanych w różnych płaszczyznach ogniskowych przez próbkę) i wykorzystuje te dane do rekonstrukcji dokładniejszego obrazu trójwymiarowego.

Techniki obrazu 3D

Innym powszechnym wymogiem jest wykonanie serii zdjęć w ustalonej pozycji, ale przy różnych głębokościach ogniskowych. Ponieważ większość mikroskopijnych próbek jest zasadniczo przezroczysta, a głębia ostrości zogniskowanej próbki jest wyjątkowo wąska, możliwe jest przechwytywanie obrazów „przez” trójwymiarowy obiekt przy użyciu sprzętu 2D, takiego jak mikroskopy konfokalne . Oprogramowanie jest następnie w stanie zrekonstruować model 3D oryginalnej próbki, którym można odpowiednio manipulować. Przetwarzanie zamienia instrument 2D w instrument 3D, który inaczej by nie istniał. W ostatnim czasie technika ta doprowadziła do wielu odkryć naukowych w biologii komórki.

Analiza

Analiza obrazów będzie się znacznie różnić w zależności od aplikacji. Typowa analiza obejmuje określanie, gdzie znajdują się krawędzie obiektu, liczenie podobnych obiektów, obliczanie powierzchni, długości obwodu i inne przydatne pomiary każdego obiektu. Typowym podejściem jest utworzenie maski obrazu, która zawiera tylko piksele spełniające określone kryteria, a następnie wykonanie prostszych operacji skanowania na wynikowej masce. Możliwe jest również etykietowanie obiektów i śledzenie ich ruchu w serii klatek w sekwencji wideo.

Zobacz też

• Przetwarzanie obrazu

  Russ, John C. (19.12.2006) [1992]. Podręcznik przetwarzania obrazu (wyd. 5). Prasa CRC. ISBN 0-8493-7254-2 .

•   Jan-Mark Geusebroek, Kolor i struktura geometryczna obrazów, zastosowania w mikroskopii, ISBN 90-5776-057-6
• Young Ian T., Nie tylko ładne zdjęcia: Cyfrowa mikroskopia ilościowa, Proc. Królewskie Towarzystwo Mikroskopowe, 1996, 31(4), s. 311–313.
• Young Ian T., Quantitative Microscopy, IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1996, 15(1), s. 59–66.
• Young Ian T., Gęstość pobierania próbek i mikroskopia ilościowa, Analytical and Quantitative Cytology and Histology, tom. 10, 1988, s. 269–275

Linki zewnętrzne

• Obrazowanie ilościowe (niedziałający link)