顯微圖像分析簡(jiǎn)史

從電視圖像分析儀

到集成數(shù)字軟件解決方案的定量顯微技術(shù)

現(xiàn)代圖像分析系統(tǒng)對(duì)來(lái)自自動(dòng)顯微鏡和數(shù)碼相機(jī)的圖像執(zhí)行高度復(fù)雜的圖像處理功能。62年前，第一套圖像分析系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)，以攝像機(jī)為基礎(chǔ)，面積測(cè)量可通過(guò)儀表讀取。不過(guò)，它標(biāo)志著這一領(lǐng)域自動(dòng)化的開(kāi)端。
 

圖像分析的起源

第一臺(tái)顯微鏡的發(fā)明不可避免地引發(fā)了通過(guò)目鏡觀(guān)察物體的大小及其相互關(guān)系的問(wèn)題。另一個(gè)同樣重要的問(wèn)題是如何從二維切片中推斷物體的體積。這些定量顯微鏡問(wèn)題最初是通過(guò)立體學(xué)來(lái)解決的，而立體學(xué)又為圖像分析所依據(jù)的原理做出了貢獻(xiàn)。

最早的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果歸功于 Achille Delesse，他證明了面積分?jǐn)?shù)與體積分?jǐn)?shù)成正比。1930 年，Thompson 和 Glagolev 建立了開(kāi)創(chuàng)性的公式 PP（點(diǎn)計(jì)數(shù)）= LL（線(xiàn)性分?jǐn)?shù)）= AA（面積分?jǐn)?shù)）= VV（體積分?jǐn)?shù)）。

 

第一臺(tái)基于電視的圖像分析儀

62 年前的 1962 年，位于劍橋的 Metals Research 公司開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)基于電視的微觀(guān)圖像分析儀，該公司后來(lái)成為徠卡集團(tuán)的一部分。這臺(tái)所謂的 QTM A（定量電視顯微鏡）使用電視攝像機(jī)作為輸入設(shè)備，完全是模擬操作。對(duì)視頻信號(hào)施加閾值，在第二個(gè)電視屏幕上顯示為二進(jìn)制圖像，并通過(guò)儀表讀取面積測(cè)量值。不過(guò)，它標(biāo)志著圖像分析自動(dòng)化的開(kāi)端--每幅圖像 20 毫秒，即使與今天的儀器相比也是相當(dāng)快的。

對(duì)這一概念的初步接受促進(jìn)了 1963 年 QTM B 的開(kāi)發(fā)，它被證明是該領(lǐng)域第一臺(tái)商業(yè)上成功的自動(dòng)化儀器。這些早期的圖像分析系統(tǒng)主要用于科研目的。用戶(hù)來(lái)自鋼鐵工業(yè)或冶金和礦物學(xué)研究機(jī)構(gòu)，但其在生命科學(xué)領(lǐng)域的潛力很快得到了認(rèn)可。

圖 1：QTM B，1963 年，第一套用于顯微鏡圖像的商用自動(dòng)圖像分析系統(tǒng)，以電視攝像機(jī)為基礎(chǔ)，由英國(guó)劍橋的 Metals Research 公司開(kāi)發(fā)。

圖 2（從左到右）：

1974 - Quantimet 720 Fifi - 大型數(shù)碼相機(jī)！

1980 - Quantimet 900，集成計(jì)算機(jī)，體積越來(lái)越小

1982-8 - Quantimet 920，彩色 900 x 700

1983 - 個(gè)人 Quantimet 10 - 標(biāo)準(zhǔn)電視機(jī)

1991 - Quantimet 500，我們第一臺(tái)基于 PC 的 CCD

1996 年以后 - 基于 PC

 

數(shù)字時(shí)代

圖像分析的數(shù)字時(shí)代始于 1969 年 Quantimet 720 上市之時(shí)。該儀器采用高度模塊化、基于硬件的圖像處理邏輯。由于采用了特殊的電子管攝像機(jī)，其分辨率達(dá)到 869 × 704 像素，并對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行了數(shù)字化處理。該系統(tǒng)比其前代產(chǎn)品更加靈活，可自動(dòng)控制顯微鏡平臺(tái)和聚焦。與配件組合使用時(shí)，這些系統(tǒng)可以填滿(mǎn)一個(gè)小房間。它們還可以執(zhí)行一些巧妙的處理功能，如圖像侵蝕、放大，并使用“光筆”直接編輯圖像--這比 Photoshop 早了幾年。

當(dāng)然，其他光學(xué)公司也進(jìn)入了這一新市場(chǎng)，Metals Research 公司（從 1969 年起更名為 IMANCO）并不是唯一的供應(yīng)商。"有趣的是，一些最初的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手現(xiàn)在都加入了徠卡顯微系統(tǒng)的大家庭，"在徠卡顯微系統(tǒng)工作了 40 年的產(chǎn)品經(jīng)理杰夫-詹金森回憶道。"最激烈的競(jìng)爭(zhēng)來(lái)自美國(guó)博士倫公司。他們更容易進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)，但從未在歐洲站穩(wěn)腳跟。當(dāng)然，徠茲公司也有先進(jìn)的圖像分析系統(tǒng)。

 

第一批計(jì)算機(jī)

從 1980 年起，隨著計(jì)算機(jī)功能的增強(qiáng)和成本的降低，圖像分析系統(tǒng)開(kāi)始由計(jì)算機(jī)控制。雖然實(shí)際的圖像處理仍由硬件完成，但新的微處理器可以存儲(chǔ)圖像和結(jié)果。值得注意的是，計(jì)算機(jī)的引入最初會(huì)減緩圖像分析過(guò)程。這是因?yàn)樵缙诘挠?jì)算機(jī)無(wú)法消化和處理圖像中的大量數(shù)據(jù)。Quantimet 800 是使用英國(guó)進(jìn)口的第一臺(tái) Apple II 計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的。Q900 還進(jìn)行了更多創(chuàng)新，包括近百萬(wàn)像素分辨率的完整數(shù)字圖像存儲(chǔ)、骨架化，并首次使用了著名的 Quips 成像語(yǔ)言。

 

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)

20 世紀(jì) 60 年代，巴黎礦業(yè)學(xué)院的讓-塞拉（Jean Serra）和喬治-馬瑟隆（George Matheron）提出了進(jìn)一步發(fā)展圖像分析的重要“概念”。他們的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)概念將圖像視為像素值的數(shù)字陣列。這一概念最初應(yīng)用于二值圖像，后來(lái)擴(kuò)展到灰度圖像。得益于該小組的工作，在接下來(lái)的幾年中，距離變換和分水嶺等新特征被引入到圖像分析中。1989 年推出的 Quantimet 570 和 1994 年推出的 Quantimet 600 就是與礦業(yè)學(xué)院合作的直接成果。

 

軟件時(shí)代

20 世紀(jì) 90 年代，基于 PC 的 Quantimet 520 標(biāo)志著圖像分析軟件時(shí)代的開(kāi)始。這使得 Leica QWin 圖像分析軟件完全獨(dú)立于特定的硬件。最新的版本是創(chuàng)建了一個(gè)優(yōu)化的用戶(hù)界面，如 Leica Application Suite (LAS)。LAS 軟件集成了自動(dòng)化顯微鏡、計(jì)算和數(shù)字圖像分析領(lǐng)域的最新進(jìn)展。在顯微鏡記錄方面，它可以控制顯微鏡和照相機(jī)，提供經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和注釋的數(shù)字圖像。從 1995 年起，在圖像分析完全軟件化之后，只銷(xiāo)售軟件而不銷(xiāo)售顯微鏡的公司進(jìn)入了市場(chǎng)。"詹金森報(bào)告說(shuō)："我們一直強(qiáng)調(diào)從單一供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)整套集成系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。"我們似乎取得了成功，因?yàn)閬?lái)自軟件公司的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)有所減少"。

LAS X Industry 徠卡LAS X ID 面向工業(yè)應(yīng)用的軟件平臺(tái)

 

使用計(jì)算機(jī)的顯微鏡

如今，計(jì)算顯微鏡在現(xiàn)代圖像分析系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它提供的功能將顯微鏡圖像擴(kuò)展到了光學(xué)屏障之外。用戶(hù)可以看到單個(gè)顯微鏡圖像中無(wú)法看到的元素--既然可以看到，也就可以測(cè)量。其主要功能包括：擴(kuò)展焦深、擴(kuò)展視野（這對(duì)于地質(zhì)切片、顆粒識(shí)別應(yīng)用（徠卡清潔度專(zhuān)家）以及幾乎所有定量顯微鏡應(yīng)用中的宏定制都至關(guān)重要）。

 

工業(yè)應(yīng)用

通過(guò) LAS軟件，徠卡顯微系統(tǒng)還繼續(xù)關(guān)注工業(yè)材料應(yīng)用，并將材料領(lǐng)域?qū)＜业睦斫廪D(zhuǎn)化為專(zhuān)門(mén)針對(duì)這些任務(wù)的“專(zhuān)家”軟件應(yīng)用套件。目前有十種專(zhuān)家級(jí)應(yīng)用套件，其中包括用于測(cè)量鋼材夾雜物的“鋼材專(zhuān)家”和用于測(cè)量過(guò)濾器顆粒并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)的“清潔度專(zhuān)家”。最新加入專(zhuān)家系列的是 Leica Dendrite Expert 和 Leica Decarburisation Expert。LAS軟件也用于法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室。“為了區(qū)分各種印刷圖案，我們將徠卡 M125 和 MZ165 體視顯微鏡與 LAS 測(cè)量模塊結(jié)合使用。”通過(guò)顯微鏡，我可以觀(guān)察到微小的墨點(diǎn)、筆跡細(xì)節(jié)和印刷特征。LAS 測(cè)量模塊在對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量、量化所有獲取的數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳輸?shù)?excel 表單中方面具有不可替代的作用"。當(dāng)然，從簡(jiǎn)單的細(xì)胞培養(yǎng)觀(guān)察到生物醫(yī)學(xué)研究中復(fù)雜的成像任務(wù)，徠卡寬場(chǎng)和共聚焦系統(tǒng)在整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中早已確立了圖像分析的地位。詹金森表示：“病理學(xué)和細(xì)胞遺傳學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新，如數(shù)字圖像中心和玻片掃描儀，都源于圖像分析領(lǐng)域長(zhǎng)期而廣泛的經(jīng)驗(yàn)”，“未來(lái)肯定還會(huì)有更多的創(chuàng)新”。

M125 C & M205 C 編碼型體視顯微鏡

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顯微圖像分析的未來(lái)

——人工智能圖像分析時(shí)代

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