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.

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.

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.

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.

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.