Цифровая визуализация - новые возможности для микроскопии

Peter Drent

Взрывной рост технологий цифровых изображений захватывает рынок изображений штурмом. Новейшие цифровые камеры в сочетании с мощным компьютерным программным обеспечением теперь обеспечивают качество изображения, сопоставимое с традиционными фотографиями на пленках из галогенида серебра. Кроме того, цифровые камеры также проще в использовании и предлагают большую гибкость для манипулирования изображениями и их хранения.

Цифровая визуализация все чаще применяется для захвата изображений для микроскопии - области, которая требует высокого разрешения, точности цветопередачи и тщательного управления, зачастую, ограниченными условиями освещения. Это сложные требования, даже для традиционной кинематографической фотографии, так почему же стоит рассмотреть цифровые изображения? В этой статье рассматривается, как цифровые изображения работают в этих условиях и каковы преимущества цифровых изображений для оптического микроскопа.

На рисунке 1 показано цифровое изображение толстого среза кишечника мыши, окрашенного тремя флуорофорами и записанного с помощью системы цифровых камер Nikon DXM1200, соединенной со стереомикроскопом SMZ1500. Изображение было получено с использованием комбинации флуоресценции и фирменных технологий подсветки косой когерентной контрастности (OCC) Nikon. Всего было выполнено четыре интеграции, и изображение было скомпоновано в Photoshop для получения окончательной версии, представленной на рисунке.

Почему стоит рассмотреть цифровые изображения?

Важно подчеркнуть, что качество конечного изображения, будь то цифровое или пленочное, зависит от качества исходного микроскопического изображения. Независимо от того, насколько хороша цифровая или обычная камера, она не может производить выдающиеся изображения с плохо настроенного микроскопа. Кроме того, как пленочные, так и цифровые системы визуализации могут выявить недостатки, которые не сразу видны при взгляде через окуляр микроскопа.

С общим ростом электронных коммуникаций существует реальная потребность в цифровых изображениях, которые могут быть легко переданы широкому кругу пользователей. Например, цифровые изображения могут быть просто отправлены по электронной почте для консультации и обсуждения, включены в другие цифровые документы, экспортированы в системы анализа изображений или размещены на веб-сайте, поскольку их легко копировать, хранить и архивировать. Они также могут быть легко аннотированы соответствующим программным обеспечением для включения в презентации или архивы. В то время как фотографические изображения могут быть отсканированы в компьютер для получения цифровых изображений, цифровой захват изображений с самого начала экономит время и усилия.

Большинство цифровых камер работают по принципу «укажи и щелкни» - фотографических навыков практически не требуется. Традиционная микрофотография, напротив, требует некоторых знаний фотографических методов. Пользователи должны понимать преимущества и недостатки различных видов фотопленки, должны внимательно следить за фильтрами, которые они используют, и иметь некоторое представление о взаимосвязи между отверстиями объектива, выдержками, глубиной резкости и, для цветной микрофотографии, цветовой температурой. Результаты могут быть переменными, особенно для новичков, поэтому важна практика «брекетинга» экспозиций для критических изображений, то есть, по крайней мере, три отдельных снимка, чтобы гарантировать, что хотя бы один из снимков был успешным. Это, однако, увеличивает стоимость пленки и обработки. Цифровые изображения не несут постоянных затрат - плата за пленку или обработку не взимается.

Цифровая визуализация практически мгновенная. Большинство камер имеют ЖК-экран, который позволяет просматривать изображения, и изображения могут быть быстро переданы на ПК. Можно сразу принять решение о том, является ли картина удовлетворительной. Пленка, с другой стороны, нуждается в разработке и обработке, прежде чем ее можно будет увидеть. К этому времени субъект может больше не существовать, особенно в тех случаях, когда микроскописты записывают динамические события в живых клетках.

Что искать в цифровой камере

Камеры доступны с цифровым или аналоговым выходом. Для аналогового вывода есть несколько разных стандартов, таких как PAL, NTSC или RS-170, а для передачи данных также существуют разные форматы, такие как RGB, S-VHS или композитный. Аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровые сигналы с использованием фрейм-грабера, прежде чем они могут быть отправлены на компьютер, тогда как в цифровой камере сигнал на компьютер уже находится в цифровом формате. Это уменьшает шум и, очевидно, исключает необходимость в захвате кадра. Цифровые сигналы могут передаваться на компьютер с помощью последовательных или параллельных портов (оба медленных), USB (быстрее, но доступны почти на всех современных компьютерах), Fire Wire (быстрее, чем USB, но не так широко распространены) или через платы для шины PCI ( самый быстрый, широко доступный, но требует установки платы).

Цифровые системы обработки изображений различаются по скорости, с которой изображения могут передаваться на компьютер, и это является важным фактором для лабораторий, делающих большое количество фотографий. Для пользователей с небольшим объемом может подождать минуту для загрузки изображения на ПК, но для загруженной лаборатории это может серьезно ограничить скорость.

На рисунке 2 представлен интерфейс Windows для системы цифровых камер Nikon DXM1200 . Для камеры требуется, чтобы в материнскую плату компьютера была вставлена проприетарная карта, а ввод/вывод контролировался с помощью прилагаемого программного обеспечения Automatic Camera Tamer (ACT).

Поток живого изображения важен для фокусировки и позиционирования - у камеры должен быть встроенный ЖК-монитор для просмотра, или пользователь должен иметь возможность просматривать изображение для живого изображения на экране ПК. ЖК-монитор должен быть достаточно большим, чтобы хорошо видеть изображение, особенно если на ПК нет прямой трансляции. Некоторые ЖК-экраны могут быть наклонены в направлении пользователя для удобства просмотра. Это может быть важно, особенно для микроскопистов.

Для пользователей, которым необходимо использовать свою камеру для различных задач в лаборатории, преимуществом будет камера, которую можно легко прикрепить и снять с микроскопа.

Разрешение, пожалуй, самый важный параметр для выбора камеры. Изображения должны быть в состоянии записать мелкие детали, обнаруженные при увеличении микроскопа. Цифровые изображения состоят из миллионов крошечных квадратов, называемых элементами изображения или пикселями. Эти крошечные пиксели используются для отображения или печати изображений, и чем больше пикселей в данной области, тем выше разрешение изображения. Если цифровое изображение увеличивается, наступает момент, когда отдельные элементы можно рассматривать как отдельные точки - аналогично зернистости на фотографии из галогенида серебра, и чем больше пикселей содержит изображение, тем больше его можно увеличить, прежде чем отдельные пиксели начнут отображаться , Размер изображения можно описать его размерами, например, 1500 x 1700 пикселей или общим количеством присутствующих пикселей, в данном случае 2,55 миллиона. Разрешение также часто указывается как размер устройства с зарядовой связью (ПЗС), который фактически является количеством пикселей на чипе. Однако следует отметить, что размер отдельных пикселей варьируется среди разных типов ПЗС. Для микроскопии идеальным считается размер пикселя (квадрат) в 6,7 микрометра.

Когда свет попадает в камеру, он проходит фильтр, который делит пиксели на пиксели красного, зеленого и синего тонов - используемые цвета создают общее цветное изображение. Затем лучи света направляются на ПЗС-матрицу, которая является специализированным полупроводником, который преобразует лучи света в электрические заряды. Интенсивность электрических зарядов пропорциональна интенсивности света, исходящего от объекта. Значения, хранящиеся в цифровом изображении, определяют яркость и цвет каждого пикселя.

Высокое разрешение

Некоторые камеры достигают разрешения с помощью дополнительного этапа экстраполяции, используя программное обеспечение, которое «угадывает» значения между двумя пикселями. Это значение используется в конечном «экстраполированном» изображении. Другие камеры получают три отдельных изображения - по одному для красного, зеленого и синего, которые затем объединяются в изображение с полным разрешением (не экстраполированное). Недостатком этого метода является то, что время воздействия увеличивается втрое.

Высокое разрешение также может быть достигнуто с помощью новой технологии, недавно представленной Nikon для своей цифровой камеры DXM1200 ( рисунки 3 ). Технология, известная как IPS ( Inter Pixel Stepping ), использует пьезоэлектрический механизм для увеличения разрешения чипа путем его перемещения вперед и назад, например, всего за девять шагов, примерно на 1/3 пикселя. В этом случае это увеличивает как разрешение, так и размер изображения в 9 раз. Используя этот метод, несколько изображений усредняются для получения более четкого изображения с меньшим уровнем шума. DXM1200 производит высококачественные изображения с приблизительно 12 миллионами выходных пикселей. Это примерно эквивалентно количеству галогенидов серебра в обычной 35-мм пленке. Таким образом, производительность конкурирует с обычными пленочными галогенидами серебра или даже превосходит их в целях увеличения. Его конструкция с низким уровнем шума особенно подходит для съемки изображений при слабом освещении, например, при флуоресцентных исследованиях. Доступны три уровня чувствительности, а длительное время воздействия до 170 секунд обеспечивает захват тусклых образцов.

Программное обеспечение

Программное обеспечение, безусловно, является важной особенностью цифровой камеры. Более мощное программное обеспечение обеспечивает большую гибкость для пользователя, но, опять же, возможности программного обеспечения должны соответствовать потребностям лабораторий. Для профессиональных пользователей программное обеспечение для сбора изображений ACT-1, поставляемое с DXM1200, предоставляет сложные функции и простоту использования.

Вывод

Цифровые изображения открывают перед микроскопом широкие возможности, предлагая простую в использовании систему сбора изображений, которая позволяет легко хранить, обрабатывать и управлять изображениями.

При выборе цифровой камеры разрешение, скорость передачи изображения и точность цветопередачи являются хорошими отправными точками, но программное обеспечение и простота эксплуатации также являются важными факторами. Из-за простоты цифровых изображений высококачественные изображения теперь доступны каждому.

https://www.microscopyu.com/digital-imaging/digital-imaging-new-opportunities-for-microscopy