七、圖像分析與體視學(xué)
圖像分析還可用于三維重建，用連續(xù)切片可重建立體的原形，在神經(jīng)組織的研究中很適用。我們在顯微鏡下觀察到的是平面圖像，而這些平面圖像是從立體結(jié)構(gòu)中切下來的，單憑平面圖像不能反映組織的真實結(jié)構(gòu)，例如圓形可以從球形、圓柱形、橢圓形物體中切下。如何從二維結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出三維結(jié)構(gòu)，這就是所謂體視學(xué)（stereology)所研究的范疇。stereology 這個詞是1961年開始正式應(yīng)用的，由于體視學(xué)與圖像分析的密切關(guān)系，無論是國際上的或國內(nèi)的學(xué)術(shù)會議都將這二者放在一起討論。
將體視學(xué)知識與免疫細(xì)胞化學(xué)標(biāo)本觀察聯(lián)系起來，將是一種可以獲取更多信息的研究手段，目前國外已很重視體視學(xué)的研究方法，發(fā)表了一些論文，國內(nèi)也開始做這方面的工作，因此有必要將體視學(xué)的一些基本術(shù)語介紹給讀者，供參閱文獻(xiàn)時或自己進(jìn)行研究時應(yīng)用。體視學(xué)語言目前已是一種通用的術(shù)語，現(xiàn)將常用的介紹如下：
結(jié)構(gòu)（structure)：在一個確定的組織模式中，由許多相互依賴的部分所組成的某物體稱為結(jié)構(gòu)。一個結(jié)構(gòu)至少有二個組分構(gòu)成，體視學(xué)的目的即弄清楚各組分之間相互關(guān)聯(lián)程度、相對大小等。
組分（component)：在結(jié)構(gòu)中能被截然分開而且能被辨認(rèn)的部分。
相（phase)：所有在本質(zhì)上相同的組分的集合稱為相。例如一個細(xì)胞的所有線粒體構(gòu)成了此細(xì)胞的線粒體相。
粒子（partiele)：假如組分是由許多離散的并且能夠作為單元獨立存在的要素所組成，則將這些要素稱為粒子，粒子可以表現(xiàn)為各種形狀。
凸面體（convex solid)：連接此實體內(nèi)任何兩點的線段，必需全部落于此實體內(nèi)，換句話說，即此實體上切下的一個切片只能形成一個截面。
包容空間（containing space)：指包含被研究的組分的空間。當(dāng)然，被研究的組分常與其他不被研究的組分并存。
密度（density)：單位體積、單位面積或單位長度內(nèi)的量。
體積密度（volume density)：在單位包容空間內(nèi)，某相的體積。
表面積密度（surface density)：單位包容空間內(nèi)所含有某相的表面積。
長度密度（length density)：單位包容空間內(nèi)某相的長度。
數(shù)密度(numerical density)：單位包容空間內(nèi)某相的數(shù)目。
截面（profile)：任何結(jié)構(gòu)的切片上的圖像。
體視學(xué)的測量值往往是相對測量值，以兩個彼此相關(guān)聯(lián)的測量值的比率來表達(dá)，其中一個測量值與組分有關(guān)，另一個測量值與包容空間在關(guān)，后者也稱為“參考系統(tǒng)”。體視學(xué)原理可確定在切片上測得的這些比率與空間結(jié)構(gòu)內(nèi)相應(yīng)的比率之間的精確關(guān)系。上述性質(zhì)反映在體視學(xué)符號中，而這些符號目前已普遍被使用，在有些文獻(xiàn)中已不再作解釋了。常用的符號如下：
P測試點數(shù)
P1單位測試線長上的交點數(shù)
Pa單位測試面積上的點數(shù)
Pv單位測試體積上的點數(shù)
L測試線長
L1單位測試線長上的截距
La單位測試面積上線的單元長
Lv單位測試體積上線的單元長
A測試面積
S表面積
Aa單位測試面積上被測物的面積
Sv單位測試體積內(nèi)被測物的表面積
V體積
Vv單位測試體積內(nèi)被測物的體積
N被測物數(shù)目
N1 單位測試線長上與被測物相交的數(shù)
NA單位測試線長上與被測物的數(shù)
Nv單位測試體積內(nèi)被測物的數(shù)
用測試網(wǎng)格的體視學(xué)方法，楊光等，1987年曾對腹腔神經(jīng)節(jié) 小強(qiáng)熒光細(xì)胞進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)的定量分析，測量了線粒體、溶酶體、粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、顆粒小泡的Vv、Sv、Na、Nv等參數(shù)，得出了標(biāo)準(zhǔn)小強(qiáng)熒光細(xì)胞的計量值。此處的Vv即單位體積細(xì)胞質(zhì)內(nèi)某種細(xì)胞器的體積，據(jù)體視學(xué)原理，Vv等于切片上被測的某種細(xì)胞器所占的面積的均數(shù)a與細(xì)胞質(zhì)的面積的均數(shù)A之比，如用圖像分析儀即可得出此二者的面積，而用測試格a等于落在此細(xì)胞器上的測試格的交點總數(shù)∑Pi，A等于落在細(xì)胞質(zhì)上的測試格交點總數(shù)∑Pc。
Vv=ā／A=∑Pi/∑Pc
測試格的交點數(shù)有各種規(guī)格，如果有20條橫測試線與20條縱測試線組成的測試網(wǎng)格，則有400個交點，利用交點所落部位進(jìn)行推算。
免疫組織化學(xué)形態(tài)計量研究中參照空間的“陷井”問題。在某種組織結(jié)構(gòu)（參照空間)內(nèi)測量特征物的密度值（如體積分?jǐn)?shù)、表面積密度、長度密度、數(shù)目密度等)，如果不知道參照空間的體積，得不到絕對值，就有可能作出錯誤的結(jié)論，就是參照空間的“陷井”。舉一例子說明：實驗的結(jié)果苯巴比妥對大鼠肝細(xì)胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的體積分?jǐn)?shù)和表面積密度無顯著差異，如果依此就認(rèn)為苯巴妥對肝細(xì)胞（參照空間)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)無顯著影響，就錯了，就進(jìn)入了參照空間的“陷井”中去了。實際上，在些實驗條件下，肝細(xì)胞質(zhì)總體積顯著增加，因而雖然內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的體積分?jǐn)?shù)和表面積密度無顯著差異，但其絕對值已顯著增加了。因此，要測量或估計參照空間的體積、乘以密度值，獲得絕對值，才能獲正確的結(jié)論。
八、國內(nèi)外生產(chǎn)圖像分析儀的情況簡介
�。ㄒ�)國內(nèi)情況
80年代初，以IBM—PC為代表的個人計算機(jī)得到了突飛猛進(jìn)的大發(fā)展和在普及；緊接著各種功能強(qiáng)大面向圖像處理與分析的專用超大規(guī)模（VLSI)蕊片或單板達(dá)到商品化水平，兩者的結(jié)合，為微機(jī)圖像處理系統(tǒng)的問世奠定了硬件基礎(chǔ)。打破了以往只能在大中型計算機(jī)加專用圖像處理系統(tǒng)的構(gòu)成價格昂貴的圖像處理系統(tǒng)的局面。為推廣圖像處理與分析技術(shù)創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)。從80年代中期開始，國內(nèi)先后有武漢大學(xué)、清華大學(xué)、中科院自動化所、計算所、重慶大學(xué)、四川大學(xué)、華北計算所等單位，紛紛進(jìn)行微機(jī)圖像處理與分析系統(tǒng)的研制和推廣應(yīng)用工作。其中以四川大學(xué)計算機(jī)系圖像圖形研究所研制開發(fā)并定型生產(chǎn)的MIAS系列圖像分析儀在國內(nèi)具有較大的優(yōu)勢，獲得了1992年國家級新產(chǎn)品證書。
現(xiàn)介紹如下：MIAS系列圖像分析儀包括偽彩色型MIAS—300，真彩色型MIAS—400，超高分辨率型MIAS—1000等面向生物醫(yī)學(xué)、金相分析、石油地質(zhì)以及其它專用目的的各種圖像儀均由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)主要包括MIAS圖像處理計算機(jī)、圖像輸入設(shè)備，圖像輸出設(shè)備和交互式處理設(shè)備等。其主要性能指標(biāo)：圖像分辨率512×512，640×480，1280×1024。圖像采集速度：電視方式0.04s/幀，慢速高精方式2～10秒/幀。圖像存儲體：MIAS—3000.5MB～1.5MB（兆字節(jié) )，MIAS—4001.5MB～4.5MB,MIAS—1000 2MB～10MB �；叶鹊燃墸�256或4096。專用圖像處理器特性：IPU40MHZ主頻，>10MIPS。IFU（圖像浮點處理器)40MHZ主頻，>4MFOPS（每秒兆浮點處理指令)。在各種圖像輸入設(shè)備中，以視頻攝像機(jī)為圖像的基本輸入設(shè)備，也可以配接視頻錄像機(jī)、數(shù)字掃描儀和連接掃描電鏡的專用接口。高分辯彩色監(jiān)示器為圖像的基本輸出設(shè)備。該系統(tǒng)還具備有自動移位的載物臺和自動聚集控制系統(tǒng)可供用戶選擇。MIAS系列圖像分析儀的軟件系統(tǒng)是在DOS（磁盤操作系統(tǒng))3.2以上環(huán)境開發(fā)的，全部采用C語言和匯編語言（80286宏匯編，TMS340系列專用匯編)進(jìn)行編程，共98個功能模塊。主要功能包括初始化及環(huán)境設(shè)置、圖像輸入和輸出、圖像編輯、圖像增強(qiáng)、圖像分割、圖像測量、實用程序等。測量參數(shù)包括一維和二維目標(biāo)的各種形態(tài)參數(shù)，灰度參數(shù)和紋理參數(shù)等數(shù)十種。該系統(tǒng)在長期為華西醫(yī)科大學(xué)、第一和第四軍醫(yī)大學(xué)、北京軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、上海醫(yī)科大學(xué)、湖南醫(yī)學(xué)院、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)等數(shù)十個醫(yī)學(xué)單位的服務(wù)中，積累了許多有效的實用算法和功能、用戶界面和處理速度方面已達(dá)到和超過某些進(jìn)口中高檔圖像儀的水平。
（二)國外情況
英國的主要生產(chǎn)廠家有劍橋儀器公司（Cambridge Instruments Company)，在圖像的測量、計算、比較、分類等功能上都比過去的產(chǎn)品更完善，使用了大功率的新型計算機(jī)，使用QUIPS程序可獲得各種圖像分析測量的數(shù)據(jù)，重現(xiàn)性好。操作者不必精通程序設(shè)計語言，只需接受幾小時使用QUIPS語言的教學(xué)訓(xùn)練即可。
英國Ealing—Beck公司生產(chǎn)Histotrak圖像分析系統(tǒng)，如用透射光，該儀器能自動改變放大倍數(shù)。具有陰影校正系統(tǒng)。最使研究工作者感興趣的是該儀器中設(shè)有坐標(biāo)發(fā)生器，能使被檢圖像的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過臺式計算機(jī)在輸出打印機(jī)上打印出來。
英國Micro Measurements 公司生產(chǎn)電視掃描圖像分析儀，成本較低，用途較多。
英國Joycez—Loebl公司生產(chǎn)Magiscam圖像分析系統(tǒng)，操作較簡單，可解決一般圖像分析問題，并可進(jìn)行彩色圖像分析，在醫(yī)學(xué)和放射學(xué)等方面適用。
美國的主要廠家有美國美敦設(shè)備公司（Milton Roy Company)，生產(chǎn)OMNICON圖像分析儀，據(jù)上海多國儀器儀表展覽會資料介紹，Ommicon圖像分析系統(tǒng)有Omnicon Alpha500用于常規(guī)檢驗和研究。Ommicon FAS—III 用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域較合適。Omnicon 3500為一種多用途的系統(tǒng)，配有64K通用NOVA4×計算機(jī)。Omnicon 5000是該公司發(fā)展的使用起來最方便的定量圖像分析儀。Omnicon 7500是為了對圖像作實時分析而設(shè)計的產(chǎn)品。
德國Leitz公司制造Leitz T.A.S圖像分析儀，圖像輸入裝置是一臺Leitz Orthplan顯微鏡，該儀器還包括一臺TU—58雙盒式磁帶機(jī)，可用于存貯程序、數(shù)據(jù)、圖像。該公司產(chǎn)品的新型號是Leitz T.A.S PLUS，增加了自動調(diào)焦、自動圖像旋轉(zhuǎn)等功能。
德國Carl Zeiss公司的產(chǎn)品是Micro—Videomat，主要優(yōu)點是有適用于計算機(jī)和大型計算機(jī)的程序。型號有Micro Videomat 2型、3型等。
德國的OPTON公司生產(chǎn)IBAS2000圖像分析系統(tǒng)，可應(yīng)用于顯微圖像分析的所有領(lǐng)域，如放射自顯影、染色體分析、真色圖像信息、細(xì)胞學(xué)分析、用連續(xù)切片來重建原形、顆粒大小分析、纖維分析、可測定交叉的或重疊的纖維長度及纖維的長/寬比例等。
德國VEB Zeiss Jena公司生產(chǎn)EPIQUANT圖像分析儀，可進(jìn)行自動或半自動分析。
日本浜板電視公司生產(chǎn)一系列特殊用途的、測量特殊參數(shù)的自動分析系統(tǒng)，如其中有一種稱為Multianalyser的，與顯微鏡相結(jié)合，可用來測面積、長度等。
對國內(nèi)外資料收集比較局限，總之購置儀器時要充分了解性能、對價格作比較、才能獲得滿意的結(jié)果。
