医学成像设备图像分析系统的功能及质量控制

韩景田 周连生 窦贺荣 曲爱娜 贾桂林

医学图像分为宏观和微观两大类。宏观图像分析系统是应用医学成像技术制造的医疗仪器设备，包括X射线、CT、MRI(核磁共振)、超声多谱勒等。微观图像分析则是指通过显微镜与计算机连接，将显微镜下的细胞、组织图像用计算机进行处理、分析，以改变长期以来对于组织和细胞形态结构只能靠人工观测，定性或半定量描述的状况。医学图像的微观分析有很广泛的应用领域，如医疗诊断方面，血液细胞自动分类计数、染色体分析、癌症细胞识别等；在新药研制方面，研究药物作用后生物组织的形态结构变化，观察药物对机体最直接的影响，并给出规范、准确的试验数据等等，比以往动物试验更为准确、快捷、经济。在医学领域，通过形态定量和图像分析，从宏观到微观，从大体到显微镜，甚至到亚显微及分子水平，从而阐明形态与功能、形态与诊断、形态与病因和预后、形态与发病机制的内在联系[1-3]。现就OLYMPUS反射荧光图像分析系统的功能及质量控制阐述如下。

1 医学图像分析系统的功能

1.1 静态图像分析

静态图像分析是指图像分析处理的实验样本通常为染色组织切片、药物粉末等，并且获取的图像一般不随时间而变化，分析的图像限于单幅，因此称为静态图像。静态图像的来源可以从显微镜摄像获取，也可以通过数码照相机或者扫描仪扫描照片等方式获取。分辨率、图像清晰度是衡量静态图像的一个重要指标[4]。目前，显微镜下样本通过摄像头获取图像是最经济也是技术最成熟的手段。

1.2 动态图像分析

动态图像分析相对静态图像分析而言，图像分析处理的实验样本一般为活体的器官组织等，获取的图像随时间变化而变化，分析的图像应该根据前后时间间隔来分析变化过程，因此称为动态图像[5]。

1.3 实时图像分析

实时图像分析比动态图像分析有更严格的要求，即图像分析处理的实验样本一般为运动中的活体，获取的图像随时间变化而快速变化，分析的结果在观察结束后马上得出，因此称为实时图像。

2 医学图像分析的一般步骤和质量控制

2.1 样本的准备

在应用图像分析技术进行医学研究时,组织切片要尽量薄，厚度为4～5 μm，标本之间薄厚差别不宜过大，并且要均匀，没有褶皱。否则选取图像时常受影响。另外，细胞重叠或杂质掩盖，影响判断。载玻片厚度应在0.8～1.2 mm之间，太厚的坡片，一方面光吸收多，另一方面不能使激发光在标本上聚集。载玻片必须光洁，厚度均匀。盖玻片厚度在0.17 mm左右，光洁。

2.2 图像的获取和处理

通过摄像头而攫取图像，也可对经扫描仪、数码相机得到的图像进行分析。图像应尽可能清晰，并选择感兴趣的图像特征。通常要对图像进行处理，图像处理是指对图像进行修饰，通过这种修饰去除图像的缺陷或不足，将模糊图像变为清晰图像或以新的图像形式来表达原图像等。一幅图像常常需要某种形式的增强来提高其表现力，或者便于从图像中提取数据，这就需要图像增强技术。图像增强技术既包括图像亮度和对比度调节的简单操作，也包括用来提取和改善视觉信息的高深复杂的空间和形态过滤处理。常用修改强度指标、应用空间滤镜或调节图形频率的方法来增强图像。由于计算机图像处理是把图像转变为数字信号来处理，因此，计算机图像处理又称为数字图像处理[6]。获取图像时应注意图像的存储格式，应用图像分析软件能读取的图像格式来存储图像，适宜使用TIFF(.tif)格式保存图像，而不用JPEG(.jpg)格式，否则还需进行图像的格式转换。

2.3 图像的分析

显微图像的分析系统是在显微图像数字化的基础上，来分析显微图像中的相关参数。利用计算机对显微图像作各种处理，加快了分析处理的速度[7]。利用图像分析系统对细胞进行分类，有核细胞结构清晰，核浆对比鲜明，易于辨认，提高了分类的准确性[8]。

2.3.1 OLYMPUS反射荧光图像分析系统

OLYMPUS反射荧光图像分析系统是采用通用的分析图像处理软件Image pro plus。Image pro系列软件，支持所有OLYMPUS系列数码产品及OLYMPUS电动显微镜组件控制，具有强大的图像采集、分析、计算功能。与windows民用图形软件界面近似，平台式设计，操作方便。

2.3.2 计算机图像分析

计算机图像分析是用计算机图像分析系统对图像结构的定量测试，以及在此基础上对图像的定量描述、理解、识别和分类。图像的测试是指测试图像的有关结构参数。将这些测试结果，进一步用统计学方法进行分析、处理，提取出特异性好、灵敏度高、针对性强的特征结构参数，对结构进行定量描述或表达。通过比较不同细胞或组织的结构参数，建立判别函数，就可实现对组织或细胞的定量识别和分类。其中灰度和光密度是图像分析系统的两个重要参数。为了测定细胞中某种物质的含量，如核酸、蛋白质、多糖和脂类，通常利用显色剂与所检测物质中一些特殊基团特异性结合的特征，通过显色剂在细胞中的部位和颜色的深浅度，来判断这种物质在细胞中的分布和含量。

2.3.3 医学图像分析系统

在医学图像分析系统中，灰度是用来表示数字图像中像素颜色深浅的程度。从最黑到最亮共分为256个灰度级，最小值为0，在图像显示屏上为最黑点；最大值为255，在图像显示屏上为最亮点。灰度值越小物体颜色越深；图像分析系统中的光密度值是由灰度值再经计算得到的，是一个相对值[9]。图像分析系统的光密度值=lg(切片标本最亮区域的平均灰度值／待测目标的平均灰度值)。灰度与光密度都能反映所测目标颜色的深浅程度。灰度值与切片标本制作时染色时间长短以及测量时显微镜照明光源电压的大小关系很大。染色时间短、照明光源的电压强，待测目标就明亮些,灰度值就大些；而光密度是一个比值。是通过计算一张切片标本最亮区域的平均灰度值与该切片标本中待测目标的平均灰度值的比值，再根据数学公式计算而来的。所以，它与切片标本染色时间长短及照明光源电压关系很小。因此，在图像分析中光密度值比灰度值更能客观地反映细胞中某种物质的显色强度。分析图像时，为了保证灰度值的可比性，应尽量使用同一批染色的切片，并在同一亮度光源下摄取图像。因为显微镜光源的亮度对摄像机摄取图像的质量有明显的响，并且同一待测指标应由专人测量，尽量减少人为所致误差[10]。Image pro plus软件，可以随意对图像进行距离、光亮度、角度、厚度、周长面积、灰度分布、区域处理、区域标记、吸光度、形态学参数等测量。既可以采用手动测量，也可以采用自动测量。具有点状图分析、直方图分析、线形分析和表面分析及扩展视野深度等功能。该软件的统计结果可方便地输出到微软公司的EXCEL中，具有图像分析、数据收集、数据处理的一体化功能[11]。

2.4 储存图像的分析信息

将分析测量信息存入电子资料表Excel中，可以充分利用Excel强大的资料分析、统计、绘图功能。可依据不同的检查项目，设计不同的结果存储功能，方便查阅图像分析信息。

2.5 输出图像分析结果

图像分析结果可以采用统计、直方图、曲线等输出方式。打印机可打印彩色拷贝图像或由显示器实况输出的图像。

3 结语

图像分析主要着眼于检测、测量和描述图像中感兴趣的目标。图像分析的目的主要是获取图像目标的特征数据，并在此基础上建立对图像的描述[12]。医学图像分析系统是将图像信息收集、处理、测量、计算、分析后，得出图像各部分数量变化的分析仪器，具备较强的医学图像分析能力，可用于细胞的核浆比测量、免疫组化染色图片分析、颗粒分析、DNA分析、淋巴细胞亚群分析、凋亡细胞分析等。医学图像分析是图像、图形技术的一个重要而又广阔的研究及应用领域，是图像、图形技术的一个重要分支。图像是视觉信息的载体，图像分析处理技术是研究视觉信息采集存贮、处理和利用的技术。因此，在信息时代，传统的目视光学显微观测已经远远不能适应时代发展的要求。随着计算机技术的不断提高和普及，数字图像处理进入了高速发展的时期。

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