Image-Pro Plus在眼科角膜上皮愈合面积测量中的应用

伍喜媛,秦 莉,陈宇玺

(1西安交通大学医学院第一附属医院眼科,陕西 西安 710061;2西安医学院医技系,陕西 西安 710021;3西安建筑科技大学网络中心,陕西 西安 710055)

Image-Pro Plus在眼科角膜上皮愈合面积测量中的应用

伍喜媛1,2,秦 莉1,陈宇玺3

(1西安交通大学医学院第一附属医院眼科,陕西 西安 710061;2西安医学院医技系,陕西 西安 710021;3西安建筑科技大学网络中心,陕西 西安 710055)

介绍了 Im age-Pro Plus软件的图像分析功能,它对角膜愈合面积可进行精确的测量,这种精确的量化测量对于临床上衡量角膜上皮愈合率和上皮生长速率等指标都具有重要意义。该软件可以广泛应用于药物药效研究、角膜接触镜应用研究、准分子激光角膜手术效果评价、角膜碱烧伤等应用领域。

角膜损伤面积;Im age-Pro Plus;愈合面积测量

角膜上皮损伤愈合的研究是角膜疾病中非常重要的内容。各种有关角膜上皮的损伤研究[1-3],无论是动物实验还是临床研究,大多用荧光素钠染色后角膜上皮着染面积的大小来反映其愈合情况,是目前临床上较为客观的评价指标之一。通过测量角膜上皮的着染面积就可以计算出角膜上皮的愈合速率,进而通过该数值就可表达不同药物在促进角膜上皮愈合时的疗效,以及评价各种类型的角膜接触境、准分子激光角膜手术术后对角膜上皮的影响。

目前,临床上测量角膜上皮损伤面积主要有直接观察估算法和软件辅助测量法。直接观察测量法在裂隙灯显微镜下直接观察角膜并参照测量仪器(如直尺等)尺度估算角膜上皮损伤面积,该方法受观察者主观因素影响较大,而且较为粗略。软件辅助测量法首先通过裂隙灯显微照相系统拍摄角膜照片,然后用 Im ageEye和AutoCAD软件计算角膜上皮着染面积[4],这种方法相对可靠,但也存在问题。主要表现在:临床中大量的角膜上皮染色后所成图像是形状不规则且分散不连续的图形,这时用 Im age Eye/AutoCAD软件测量着染图像面积精度不高,误差较大。针对这个问题,该文拟通过 Im age-Pro Plus软件测量角膜上皮着染面积,使测量结果能更加准确地反映角膜上皮损伤愈合的量化程度。

1 Im age-Pro Plus功能简介

Im age-Pro Plus[5]是M edia Cybernetics公司研发的图像分析软件包,适合于荧光成像、质量控制、材料成像及其他多项科研、医学与工业应用。目前,临床医学诊断除了根据病史、症状、体征外,主要还是借助影像辅助诊断,在颅内 CT、胸部 X线片、骨科、眼科等临床应用和医学实验中,Im age-Pro Plus可以完成影像输入、影像增强、影像分析、报告、存档、输出等功能;在非破坏性检测、伪彩色图像、CT图像、MR I影像、神经分子显像等方面,Im age-Pro Plus都有着广泛的应用。Im age-Pro Plus可与绝对空间刻度校准,完成尺度测量;此外,还可以进行浓度测量、绝对光密度测量,生成点聚图、直方图、频谱图、线谱图(L ineProfile)或伪彩色显示结果。除了具有非常丰富的测量功能之外,Im age-Pro Plus还允许用户自行编写针对特定应用的宏和插件,使复杂繁琐的测量任务简化为一个简单批处理命令。

2 Im age-Pro Plus在测量角膜上皮愈合面积中的应用

2.1 角膜上皮着染图像的采集

该文以经环钻术后的兔眼角膜上皮着染图像为例,说明 Image-Pro Plus的应用。在测量角膜上皮着染图像面积之前,应该采集得到待测图像。图像采集过程如下:对实验兔进行环钻手术,手术当日及术后每日用药前均进行行裂隙灯显微镜照相,照相前使用 1%荧光素对角膜进行染色,裂隙灯钴蓝光下用彩色反转胶卷摄 16倍角膜像。最后,将反转照片输入计算机,准备用 Image-Pro Plus软件进行分析处理。

2.2 Im age-Pro Plus在测量角膜上皮愈合面积中的应用

Image-Pro Plus功能强大,界面友好。在眼科相关实验中,它可以完成角膜上皮着染图像的采集输入。目前,输入图像格式支持 tiff、jpeg、bmp、gif、tga、pcx以及视频 avi格式输入,完全兼容大多数裂隙灯显微照相系统的输出文件格式;它还可以对待测量角膜图像进行增强处理,包括图像动态范围调整 (disp lay range)、图像对比度增强 (contrast enhancement)、图像平衡调整(equalize)、图像反转变换(image invert)等,这在临床实验中非常有用,因为裂隙灯显微镜下拍摄角膜图像的质量受实验兔配合程度、实验台及光照等因素影响而使拍摄的图像质量受到干扰和影响,这时候可以在 Im age-Pro Plus软件里进行上述增强处理,减少不必要的重复实验次数,节约实验时间、实验次数和实验经费。

Im age-Pro Plus最突出的功能是它的图像测量功能。根据图像测量目的不同,Im age-Pro Plus可以完成图像尺度校准、图像任意两点距离测量、图像内任意形状区域面积测量、图像中相似颜色目标区域自动提取、测量目标自动计数统计、测量目标自动示踪等功能。其中,图像中相似颜色目标区域自动提取功能在角膜着染图像面积测量中非常有用。

临床实际中,裂隙灯显微镜下兔眼角膜着染区域是整个角膜区域内的一个单区域或多个分离区域集合,这些着染区域的形状往往极不规则,不规则区域面积测量在以往比较困难。有些软件需要事先人工勾勒出这些区域的轮廓才能进行面积计算,然而当区域形状无规则及区域数量非常多时,人工勾勒非常繁琐耗时。借助 Im age-Pro Plus提供的相似颜色目标区域自动提取功能,这项工作完全可以自动完成。

对于单区域分布的角膜上皮着染图像,在 Image-Pro Plus中可以比较方便地进行面积测量。首先通过File/Open菜单打开图像文件(如图1所示),可以看到角膜位于眼睛图像的中央,其周围是虹膜区,着染后的角膜上皮图像呈亮绿色,与未着染的上皮及虹膜区在颜色上有明显的差别,因此可以使用Image-Pro Plus的相似颜色自动提取功能将着染区域自动提取出来。在操作时,选择M easure菜单下的Count/Size|M anual|Select Colors选项,软件进入测量区域自动提取模式,用鼠标在角膜着染区内任意位置点击一下,无论角膜着染区是什么形状,软件都会自动根据着染区颜色相似性将整个区域提取出来,为下一步着染区面积测量做好准备(如图 2所示)。

图 1 待测量角膜图像

图 2 单角膜着染区测量图像

提取着染区图像后,选择应用模板(app lym ask)选项,再继续选择计数(count)菜单中的查看测量数据(view|m easurem ent data)选项,即可得到所选区域的面积(以像素为单位),如图 3所示。

图 3 单角膜着染区测量结果图

对于角膜上皮着染区呈多个分离区域集合的情况(如图 4所示),其图像分辨率为 3 456×2 304像素,方法类似于单区域测量。不同点在于软件自动会将所有多个分离角膜区域的面积全部计算出来,角膜着染总面积是这些小区域面积的统计求和。

图 4 多个分离角膜着染区面积测量图

上述测量数据在 Im age-Pro Plus中可以方便地导出为 Excel格式,借助 Excel软件强大的统计分析及报表功能可以将术后几小时、几天至几周测量到的数据进行综合分析,从而准确量化地计算出在不同药物及实验因素作用下的角膜上皮愈合速率。

2.3 Im age-Pro Plus测量角膜上皮损伤愈合面积时的注意事项

由于软件自动选取角膜愈合区域时会把周围无关的多个区域选上,如图 4中标号为 1232的区域所示。这时需要从软件统计结果中挑选出对应角膜着染区的测量数据,忽略这些无关区域的数据,然后进行面积汇总求和。

另外一个需要注意的问题是:用 Im age-Pro Plus测量到的角膜面积以像素为单位,只能反映角膜愈合面积的相对变化,不能反映着染面积的绝对数值,因为像素和面积并无直接对应关系。对这一问题可采用如下思路解决:王庭刚[4]在裂隙灯显微镜视野内放置一个直尺,用以反映真实尺寸和图像尺寸的比例关系,借助这个方法可以推算出以像素为单位的图像面积和以尺度(平方毫米、平方厘米等)为单位图像面积之间的比例关系,进而推算出所测角膜着染图像的绝对面积。

3 Im age-Pro Plus测量角膜愈合面积和其他测量方法的对比

在临床医疗诊断和新药物研制中,长期以来对角膜上皮愈合面积情况形态只能靠人工观测,其存在的主要缺点:一是只能做到定性或半定量描述,无法规范、准确地给出药物或治疗手段介入后角膜或组织变换最基本的实验数据;二是不同的测量人主观判断标准会有不同,检验结果缺乏客观性;三是测量角膜愈合面积基本上是人工在显微镜下观察,缺乏自动化的手段,测量效率低。采用 Im age-Pro Plus软件测量角膜愈合面积,优点如下:一是可以做到定量测量,比起定性或半定量描述有了本质的改善:二是比较客观,可克服不同测量人员的主观性;三是可以做到自动化测量、自动化数据采集与分析,相比主观的人工方法[6-7]用显微镜结合其他度量仪器更加准确,测量速度也更快。

此外,与用 IMAGeye/AutoCAD软件角膜愈合面积[4]的方法相比,Im age-Pro Plus的优点是可以测量角膜上皮为多个相互分离的小区域的情况,能够将角膜各个小区域面积精确测量,然后进行统计求和得到角膜整体愈合面积数据,而且测量时操作更方便、方法更通用、测量速度更快、在临床上更加实用。

临床和药物实验往往要大批量处理长时间拍摄的很多角膜图像,有时候图像数量多达成百数千,人工处理或用其他软件处理非常繁琐耗时。针对这种情况,Im age-Pro Plus可以通过编写宏命令,使这种繁琐重复的测量任务简化为几个简单批处理命令,大大降低测量工作量、提高工作效率。

4 Im age-Pro Plus在眼科图像分析中的价值及临床推广意义

通过上述介绍,可以看到 Im age-Pro Plus具有强大的图像分析测量功能,完全可以胜任眼科角膜着染图像面积测定工作,对眼科临床疗效评价、药物药效对比分析以及眼科实验教学、眼科医学研究等涉及到的图像分析测量问题,Im age-Pro Plus也可以发挥重要作用。此外,对需要进行影像辅助分析诊疗的其他临床科室,例如颅内CT、胸透X线片、骨科影像等临床应用和医学实验,Im age-Pro Plus都有着广泛的应用价值。

[1]马小力,孔珺,张劲松,等.复式滋养层培养法构建组织工程化小鼠角膜上皮的实验研究[J].中国医科大学学报,2009,38(1):28-35

[2]刘承泉,熊平.家兔角膜上皮和内皮细胞DNA含量与 PM I关系的图像分析[J].法医学杂志,2003,19(2):76-77

[3]邱晓,龚岚,陈敏洁.兔机械性角膜上皮损伤对结膜杯状细胞及结膜上皮细胞的作用研究[J].中国实验动物学报,2008,16(6):401-407

[4]王庭刚.小牛血去蛋白提取物眼凝胶治疗角膜上皮缺损的初步临床研究[D].重庆:第三军医大学西南医院,2007

[5]许扬,赵英凯,毕明刚,等.Im age-Pro Plus图像分析软件定量鸡胚尿囊膜血管新生面积的方法[J].中国比较医学杂志,2007,17(12):745-747

[6]俞琼,陆晓和,杨培增.TGF-β-2、IL-6及纤维连接蛋白对角膜创伤愈合的影响[J].眼科研究,2004,22(1):67-69

[7]陈敏洁,龚岚,邱晓.兔机械性角膜上皮损伤后伤口愈合的形态学动态变化 [J].中国实验动物学报,2009,17 (1):36-40

App lica tion of Im age-Pro Plus in cornea hea ling aream easurem en t

W u X iyuan1,2,Q in L i1,Chen Yuxi3
(1Departm en t ofOph tha lm o logy,M ed ica l School of X i’an Jiaotong University,X i’an 710061;2D epartm en t ofM ed ica l Techno logy,X i’anM ed ica l Co llege,X i’an 710021;3N etw ork Cen ter,X i’an Un iversity ofArchitecture&Technology,X i’an 710055,China)

The paper introduces the im age analysis function of Im age-Pro Plus software,w hich canm ake p recisem easurem entof healing area ofwounded cornea.Therefore,this p recise quantitative m easurem ent isof great significance in c linicallym easuring the healing rate ofwounded cornealep ithelia and grow ing rate of corneal ep ithelia.Im age-Pro Plus software can bew idely app lied in research on drug effectand contact lens app lication,evaluation of photorefractive keratectom y,and corneal alkaliburn.

wounded corneal healing area;Im age-Pro Plus;healing aream easurem ent

G434

A

:1004-5287(2010)02-0183-03

2009-12-11

伍喜媛(1974-),女,陕西铜川人,硕士在读,学士,主要研究方向:眼科学。

秦莉(1962-),女,陕西铜川人,硕士,主任医师,教授,主要研究方向:白内障、眼表疾病。

电话:13709212916;E-mail:eyeqin li@163.com