Przetwarzanie obrazu pod mikroskopem - Microscope image processing

Przetwarzanie obrazu w mikroskopie to szerokie pojęcie, które obejmuje wykorzystanie technik cyfrowego przetwarzania obrazu do przetwarzania, analizowania i prezentowania obrazów uzyskanych z mikroskopu . Takie przetwarzanie jest obecnie powszechne w wielu różnych dziedzinach, takich jak medycyna , biologicznego badania , badania nad rakiem , testów narkotykowych , metalurgii itp Szereg producentów mikroskopów teraz specjalnie Design w funkcje, które pozwalają mikroskopów do interfejsu systemu 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 czasu rzeczywistego była pod wieloma względami lepsza.

Obecnie akwizycję przeprowadza się zwykle za pomocą kamery CCD zamontowanej na torze optycznym mikroskopu. Kamera może być pełnokolorowa lub monochromatyczna. Bardzo często stosuje się kamery o bardzo wysokiej rozdzielczości, aby uzyskać jak najwięcej bezpośrednich informacji. Chłodzenie kriogeniczne jest również powszechne, aby zminimalizować hałas. Często aparaty cyfrowe używane w tym zastosowaniu dostarczają dane o intensywności pikseli z rozdzielczością 12-16 bitów, znacznie wyższą niż w produktach konsumenckich.

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

Większa prędkość akwizycji pozwala na obserwację dynamicznych procesów w czasie rzeczywistym lub przechowywanie ich w celu późniejszego odtwarzania i analizy. W połączeniu z wysoką rozdzielczością obrazu podejście to może generować ogromne ilości nieprzetworzonych danych, z którymi może być wyzwaniem nawet w przypadku nowoczesnego systemu komputerowego .

Należy zauważyć, że chociaż obecne detektory CCD pozwalają na bardzo wysoką rozdzielczość obrazu , często wiąże się to z kompromisem, ponieważ dla danego rozmiaru chipa, wraz ze wzrostem liczby pikseli, rozmiar piksela maleje. Wraz ze zmniejszaniem się pikseli zmniejsza się ich głębokość, zmniejszając liczbę elektronów, które można przechowywać. To z kolei skutkuje gorszym stosunkiem sygnału do szumu .

Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy dobrać odpowiedni czujnik do danego zastosowania. Ponieważ obrazy mikroskopowe mają wewnętrzną rozdzielczość graniczną, często nie ma sensu używać hałaśliwego detektora o wysokiej rozdzielczości do akwizycji obrazu. Skromniejszy detektor, z większymi pikselami, może często generować obrazy o znacznie wyższej jakości ze względu na mniejszy szum. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach przy słabym oświetleniu, takich jak mikroskopia fluorescencyjna .

Ponadto należy również wziąć pod uwagę wymagania dotyczące czasowej rozdzielczości aplikacji. Detektor o niższej rozdzielczości będzie często charakteryzował się znacznie wyższą szybkością 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, których celem jest jak najdokładniejsze odtworzenie informacji zawartych w mikroskopijnej próbce. Może to obejmować regulację jasności i kontrastu obrazu, uśrednianie obrazów w celu zmniejszenia szumów obrazu i korygowanie niejednorodności oświetlenia. Takie przetwarzanie obejmuje tylko podstawowe operacje arytmetyczne między obrazami (tj. Dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie). Zdecydowana większość przetwarzania obrazu mikroskopowego ma taki charakter.

Inna klasa typowych operacji 2D, zwana konwolucją obrazu, jest często używana do zmniejszania lub ulepszania szczegółów obrazu. Takie algorytmy „rozmycia” i „wyostrzania” w większości programów działają poprzez zmianę wartości piksela na podstawie ważonej sumy tego i otaczających pikseli (bardziej szczegółowy opis splotu opartego na jądrze zasługuje na osobne wprowadzenie) lub poprzez zmianę dziedziny częstotliwości funkcji obrazu za pomocą 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 zaawansowane techniki są stosowane w celu „cofnięcia” zniekształcenia ścieżki optycznej mikroskopu, eliminując w ten sposób zniekształcenia i rozmycie spowodowane przez oprzyrządowanie. Ten proces nazywa się dekonwolucją i opracowano różnorodne algorytmy , z których niektóre charakteryzują się dużą złożonością matematyczną. Efektem końcowym jest obraz o wiele ostrzejszy i wyraźniejszy niż można by uzyskać w samej domenie optycznej. Jest to zazwyczaj operacja trójwymiarowa, która analizuje obraz wolumetryczny (tj. Obrazy wykonane w różnych płaszczyznach ogniskowych w próbce) i wykorzystuje te dane do rekonstrukcji dokładniejszego obrazu trójwymiarowego.

Techniki obrazu 3D

Innym częstym wymaganiem jest wykonanie serii zdjęć w ustalonej pozycji, ale przy różnych głębokościach ogniskowych. Ponieważ większość mikroskopijnych próbek jest zasadniczo przezroczysta, a głębia ostrości skupionej próbki jest wyjątkowo mała, możliwe jest przechwytywanie obrazów „przez” trójwymiarowy obiekt przy użyciu sprzętu 2D, takiego jak mikroskopy konfokalne . Oprogramowanie jest wtedy w stanie zrekonstruować model 3D oryginalnej próbki, którą można odpowiednio zmanipulować. Przetwarzanie zmienia instrument 2D w instrument 3D, który w innym przypadku nie istniałby. 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 określenie, gdzie znajdują się krawędzie obiektu, zliczenie podobnych obiektów, obliczenie powierzchni, długości obwodu i inne przydatne pomiary każdego obiektu. Powszechnym podejściem jest utworzenie maski obrazu, która zawiera tylko piksele spełniające określone kryteria, a następnie wykonanie prostszych operacji skanowania na wynikowej masce. Możliwe jest również opisywanie obiektów i śledzenie ich ruchu w serii klatek w sekwencji wideo.

Zobacz też

Bibliografia

Russ, John C. (2006-12-19) [1992]. Podręcznik przetwarzania obrazu (wyd. 5). CRC Press. ISBN   0-8493-7254-2 . CS1 maint: zniechęcony parametr ( link )

  • Jan-Mark Geusebroek, Kolor i struktura geometryczna w obrazach , zastosowania w mikroskopii, ISBN   90-5776-057-6
  • Young Ian T., Nie tylko ładne zdjęcia: Cyfrowa mikroskopia ilościowa, Proc. Natl. Royal Microscopical Society, 1996, 31 (4), str. 311–313.
  • Young Ian T., Quantitative Microscopy, IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1996, 15 (1), str. 59–66.
  • Young Ian T., Sampling density and quantitative microscopy, Analytical and Quantitative Cytology and Histology, vol. 10, 1988, s. 269–275

Linki zewnętrzne

Zasoby biblioteczne dotyczące
przetwarzania obrazu w mikroskopie