Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Микроскопты бейнелеу – микроскоптан алынған бейнелерді өңдеу, талдау және көрсету үшін цифрлық бейне өңдеу техникаларын қолдануды қамтитын кең ұғым. Мұндай өңдеу қазір медицина, биологиялық зерттеулер, онкологиялық зерттеулер, дәрі-дәрмектерді сынау, металлургия және тағы да басқа көптеген салаларда кеңінен қолданылады. Микроскоп өндірушілердің бірқатары микроскоптарды бейне өңдеу жүйесімен байланыстыруға мүмкіндік беретін арнайы мүмкіндіктермен жабдықтауды жүзеге асыруда.
Microscope image processing is a broad term that covers the use of digital image processing techniques to process, analyze and present images obtained from a microscope. Such processing is now commonplace in a number of diverse fields such as medicine, biological research, cancer research, drug testing, metallurgy, etc. A number of manufacturers of microscopes now specifically design in features that allow the microscopes to interface to an image processing system.
Сурет алу
1990 жылдардың басына дейін бейне микроскопиясындағы кескіндерді алу көбінесе аналогты бейнекамералармен, әдетте жабық схемалы телекамералармен жасалатын. Бұл үшін кескіндерді цифрландыру үшін кадр ұстағыш қажет болса да, бейнекамералар толық бейне кадр жылдамдығымен (секундына 25-30 кадр) тікелей бейнежазу мен өңдеуге мүмкіндік берді. Қатты күйдегі детекторлардың пайда болуы бірнеше артықшылықтар ұсынса да, нақты уақытты бейнекамерасы көп жағдайда артық болды. Бүгінде кескіндерді алу әдетте микроскоптың оптикалық жолына орнатылған ККД (CCD) камерасы арқылы жүзеге асырылады. Камера толық түсті немесе монохромды болуы мүмкін. Көбінесе, барынша көп тікелей ақпарат алу үшін өте жоғары ажыратымдылыққа ие камералар қолданылады. Шуды азайту үшін криогендік салқындату да жиі қолданылады. Осы қолданба үшін қолданылатын цифрлық камералар көбінесе пиксельдің қарқындылық деректерін 12-16 бит ажыратымдылықпен ұсынады, бұл тұтынушылық бейнелеу құрылымдарында қолданылатыннан әлдеқайда жоғары. Қызығы, соңғы жылдары деректерді бейне жылдамдығымен немесе одан да жоғары (секундына 25-30 кадр немесе одан да жоғары) алуға көп күш жұмсалды. Бұрын қарапайым бейнекамералармен оңай болған нәрсе қазір үлкен цифрлық деректер ағынын басқару үшін арнайы, жоғары жылдамдықты электрониканы қажет етеді. Жоғары жылдамдықты алу динамикалық процестерді нақты уақытта байқауға немесе кейінірек ойнату және талдау үшін сақтауға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл, жоғары кескінді ажыратымдылықпен бірге, өңдеуі қиын болатын үлкен көлемде шикі деректерді тудырады, тіпті заманауи компьютерлік жүйелер үшін де. Қазіргі ККД детекторлары өте жоғары кескінді ажыратымдылықты қамтамасыз ете алатынына қарамастан, бұл көбінесе компромисске әкеледі, себебі берілген чиптің мөлшері үшін пиксельдер саны артқан сайын пиксельдің мөлшері кішірейеді. Пиксельдер кішірейген сайын, олардың сыйымдылығы төмендейді, сақталатын электрондардың саны азаяды. Бұл өз кезегінде сигнал мен шу арақатынасының нашарлауына әкеледі. Ең жақсы нәтижелерге жету үшін, нақты қолданбаға сәйкес келетін сенсорды таңдау қажет. Микроскоптық кескіндердің ішкі шектеулі ажыратымдылығы болғандықтан, кескіндерді алу үшін шулы, жоғары ажыратымдылыққа ие детекторды пайдаланудың қажеті шамалы. Көбінесе үлкен пиксельдері бар қарапайым детектор шудың азаюының арқасында әлдеқайда жоғары сапалы кескіндерді шығарады. Бұл әсіресе флуоресценттік микроскопия сияқты жарық аз жағдайларда маңызды. Сонымен қатар, қолданбаның уақыт бойынша ажыратымдылық талаптарын да ескеру керек. Төмен ажыратымдылыққа ие детектор көбінесе әлдеқайда жоғары алу жылдамдығына ие болады, бұл жылдам оқиғаларды байқауға мүмкіндік береді. Керісінше, егер бақыланатын объект қозғалмайтын болса, онда бір кескінді алу үшін қажетті уақытқа қарамастан, мүмкіндігінше жоғары кеңістіктік ажыратымдылықта кескіндерді алуға болады.
Until the early 1990s, most image acquisition in video microscopy applications was typically done with an analog video camera, often simply closed circuit TV cameras. While this required the use of a frame grabber to digitize the images, video cameras provided images at full video frame rate (25 30 frames per second) allowing live video recording and processing. While the advent of solid state detectors yielded several advantages, the real time video camera was actually superior in many respects. Today, acquisition is usually done using a CCD camera mounted in the optical path of the microscope. The camera may be full colour or monochrome. Very often, very high resolution cameras are employed to gain as much direct information as possible. Cryogenic cooling is also common, to minimise noise. Often digital cameras used for this application provide pixel intensity data to a resolution of 12 16 bits, much higher than is used in consumer imaging products. Ironically, in recent years, much effort has been put into acquiring data at video rates, or higher (25 30 frames per second or higher). What was once easy with off the shelf video cameras now requires special, high speed electronics to handle the vast digital data bandwidth. Higher speed acquisition allows dynamic processes to be observed in real time, or stored for later playback and analysis. Combined with the high image resolution, this approach can generate vast quantities of raw data, which can be a challenge to deal with, even with a modern computer system. It should be observed that while current CCD detectors allow very high image resolution, often this involves a trade off because, for a given chip size, as the pixel count increases, the pixel size decreases. As the pixels get smaller, their well depth decreases, reducing the number of electrons that can be stored. In turn, this results in a poorer signal to noise ratio. For best results, one must select an appropriate sensor for a given application. Because microscope images have an intrinsic limiting resolution, it often makes little sense to use a noisy, high resolution detector for image acquisition. A more modest detector, with larger pixels, can often produce much higher quality images because of reduced noise. This is especially important in low light applications such as fluorescence microscopy. Moreover, one must also consider the temporal resolution requirements of the application. A lower resolution detector will often have a significantly higher acquisition rate, permitting the observation of faster events. Conversely, if the observed object is motionless, one may wish to acquire images at the highest possible spatial resolution without regard to the time required to acquire a single image.
2D бейнелеу әдістері
Микроскопиялық қолдану үшін бейне өңдеу, микроскопиялық үлгідегі ақпаратты ең дәл түрде қайта жаратуға бағытталған негізгі техникалардан басталады. Бұл суреттің жарықтығы мен контрастын реттеуді, суреттегі шуды азайту үшін суреттерді орташалауды және жарықтандырудың біркелкі еместігін түзетуді қамтиды. Мұндай өңдеу суреттер арасындағы қарапайым арифметикалық операцияларды ғана қамтиды (яғни, қосу, алу, көбейту және бөлу). Микроскоптық суреттерде жасалатын өңдеудің көп бөлігі осы сипатта болады. Кескін конволюциясы деп аталатын тағы бір класс 2D операциялар, сурет егжей-тегжейін азайту немесе күшейту үшін жиі қолданылады. Мұндай "бұлыңғырлату" және "дәлдеу" алгоритмдері көптеген бағдарламаларда пикселдің мәнін оның және айналасындағы пикселдердің салмақты қосындысына сүйене отырып өзгертеді (ядроға негізделген конволюцияның егжей-тегжейлі сипаттамасы жеке талқылауды қажет етеді) немесе Фурье түрлендіруін пайдаланып суреттің жиілік доменіндегі функцияны өзгертеді. Көптеген бейне өңдеу техникалары жиілік доменінде орындалады. Басқа негізгі екі өлшемді техникаларға суретті бұру, деформациялау, түс балансын реттеу және т.б. сияқты операциялар жатады. Кейде микроскоптың оптикалық жүйесінің бұрмалануын "жою" мақсатымен, құралдардың салдарынан туындаған бұрмалану мен бұлыңғырлықты жою үшін жетілдірілген техникалар қолданылады. Бұл процесс деконволюция деп аталады, және әртүрлі алгоритмдер әзірленген, олардың кейбіреулері өте күрделі математикалық есептеулерді қамтиды. Соңғы нәтиже, оптикалық жүйеде ғана алуға болатын суреттен әлдеқайда анық және айқын болады. Бұл әдетте көлемдік суретті (яғни, үлгі арқылы әртүрлі фокус жазықтықтарында түсірілген суреттерді) талдап, осы деректерді негізге ала отырып, дәлірек 3 өлшемді суретті қайта құруға арналған 3 өлшемді операция болып табылады.
Image processing for microscopy application begins with fundamental techniques intended to most accurately reproduce the information contained in the microscopic sample. This might include adjusting the brightness and contrast of the image, averaging images to reduce image noise and correcting for illumination non uniformities. Such processing involves only basic arithmetic operations between images (i. e. addition, subtraction, multiplication and division). The vast majority of processing done on microscope image is of this nature. Another class of common 2D operations called image convolution are often used to reduce or enhance image details. Such "blurring" and "sharpening" algorithms in most programs work by altering a pixel's value based on a weighted sum of that and the surrounding pixels (a more detailed description of kernel based convolution deserves an entry for itself) or by altering the frequency domain function of the image using Fourier Transform. Most image processing techniques are performed in the Frequency domain. Other basic two dimensional techniques include operations such as image rotation, warping, color balancing etc. At times, advanced techniques are employed with the goal of "undoing" the distortion of the optical path of the microscope, thus eliminating distortions and blurring caused by the instrumentation. This process is called deconvolution, and a variety of algorithms have been developed, some of great mathematical complexity. The end result is an image far sharper and clearer than could be obtained in the optical domain alone. This is typically a 3 dimensional operation, that analyzes a volumetric image (i. e. images taken at a variety of focal planes through the sample) and uses this data to reconstruct a more accurate 3 dimensional image.
3D бейнелеу әдістері
Тағы бір жиі кездесетін талап – суреттерді бір бекітілген орында, бірақ әртүрлі фокустық тереңдікте түсіру. Көптеген микроскоптық үлгілер көбінесе мөлдір болғандықтан және фокустағы үлгінің тереңдік өрісі өте тар болғандықтан, конфокалды микроскоптар сияқты 2D құралдарды қолдана отырып, үш өлшемді нысанды "көруге" болады. Содан кейін бағдарламалық құрал бастапқы үлгінің 3D моделін қайта жасайды, оны қажеттідей өңдеуге болады. Бұл өңдеу 2D құралын, әйтпесе болмас еді, 3D құралға айналдырады. Соңғы уақыттарда бұл техника жасуша биологиясында көптеген ғылыми жаңалықтарға әкелді.
Another common requirement is to take a series of images at a fixed position, but at different focal depths. Since most microscopic samples are essentially transparent, and the depth of field of the focused sample is exceptionally narrow, it is possible to capture images "through" a three dimensional object using 2D equipment like confocal microscopes. Software is then able to reconstruct a 3D model of the original sample which may be manipulated appropriately. The processing turns a 2D instrument into a 3D instrument, which would not otherwise exist. In recent times this technique has led to a number of scientific discoveries in cell biology.
Талдау
Суреттерді талдау қолданылуына қарай айтарлықтай өзгереді. Көбінесе талдауға объектілердің жиектерін анықтау, ұқсас объектілерді санау, әрбір объектінің ауданын, периметрінің ұзындығын және басқа да пайдалы өлшемдерді есептеу кіреді. Жиі қолданылатын тәсіл – белгілі бір шарттарға сай пиксельдерді ғана қамтитын кескін маскасын жасап, содан кейін алынған маскада оңайрақ сканерлеу операцияларын жүргізу болып табылады. Видео тізбегіндегі кадрлар сериясында объектілерді белгілеп, олардың қозғалысын қадағалау да мүмкін.
Analysis of images will vary considerably according to application. Typical analysis includes determining where the edges of an object are, counting similar objects, calculating the area, perimeter length and other useful measurements of each object. A common approach is to create an image mask which only includes pixels that match certain criteria, then perform simpler scanning operations on the resulting mask. It is also possible to label objects and track their motion over a series of frames in a video sequence.