徠卡175周年：顯微圖像分析簡(jiǎn)史——從電視圖像分析儀到集成數字軟件解決方案的定量顯微技術(shù)

第一臺顯微鏡的發(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的原理做出了貢獻。

最早的實(shí)驗和結果歸功于 Achille Delesse，他證明了面積分數與體積分數成正比。1930 年，Thompson 和 Glagolev 建立了開(kāi)創(chuàng )性的公式 PP（點(diǎn)計數）= LL（線(xiàn)性分數）= AA（面積分數）= VV（體積分數）。

62 年前的 1962 年，位于劍橋的 Metals Research 公司開(kāi)發(fā)出di一臺基于電視的微觀(guān)圖像分析儀，該公司后來(lái)成為徠卡集團的一部分。這臺所謂的 QTM A（定量電視顯微鏡）使用電視攝像機作為輸入設備，完quan是模擬操作。對視頻信號施加閾值，在第二個(gè)電視屏幕上顯示為二進(jìn)制圖像，并通過(guò)儀表讀取面積測量值。不過(guò)，它標志著(zhù)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快的。

對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di一臺商業(yè)上成功的自動(dòng)化儀器。這些早期的圖像分析系統主要用于科研目的。用戶(hù)來(lái)自鋼鐵工業(yè)或冶金和礦物學(xué)研究機構，但其在生命科學(xué)領(lǐng)域的潛力很快得到了認可。

圖像分析的數字時(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，其分辨率達到 869 × 704 像素，并對整個(gè)圖像進(jìn)行了數字化處理。該系統比其前代產(chǎn)品更加靈活，可自動(dòng)控制顯微鏡平臺和聚焦。與配件組合使用時(shí)，這些系統可以填滿(mǎn)一個(gè)小房間。它們還可以執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wei一的供應商。"有趣的是，一些最初的競爭對手現在都加入了徠卡顯微系統的大家庭，"在徠卡顯微系統工作了 40 年的產(chǎn)品經(jīng)理杰夫-詹金森回憶道。"最激烈的競爭來(lái)自美國博士倫公司。他們更容易進(jìn)入美國市場(chǎng)，但從未在歐洲站穩腳跟。當然，徠茲公司也有先進(jìn)的圖像分析系統。

從 1980 年起，隨著(zhù)計算機功能的增強和成本的降低，圖像分析系統開(kāi)始由計算機控制。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圖像和結果。值得注意的是，計算機的引入最初會(huì )減緩圖像分析過(guò)程。這是因為早期的計算機無(wú)法消化和處理圖像中的大量數據。Quantimet 800 是使用英國進(jìn)口的第一臺 Apple II 計算機開(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字圖像存儲、骨架化，并shou次使用了著(zhù)名的 Quips 成像語(yǔ)言。

20 世紀 60 年代，巴黎礦業(yè)學(xué)院的讓-塞拉（Jean Serra）和喬治-馬瑟?。℅eorge Matheron）提出了進(jìn)一步發(fā)展圖像分析的重要“概念"。他們的數學(xué)形態(tài)學(xué)概念將圖像視為像素值的數字陣列。這一概念最初應用于二值圖像，后來(lái)擴展到灰度圖像。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。

20 世紀 90 年代，基于 PC 的 Quantimet 520 標志著(zhù)圖像分析軟件時(shí)代的開(kāi)始。這使得 Leica QWin 圖像分析軟件wan全獨立于特定的硬件。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、計算和數字圖像分析領(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，提供經(jīng)過(guò)校準和注釋的數字圖像。從 1995 年起，在圖像分析wan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)。"詹金森報告說(shuō)："我們一直強調從單一供應商處購買(mǎi)整套集成系統的優(yōu)勢。"我們似乎取得了成功，因為來(lái)自軟件公司的競爭已經(jīng)有所減少"。

如今，計算顯微鏡在現代圖像分析系統中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。它提供的功能將顯微鏡圖像擴展到了光學(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，也就可以測量。其主要功能包括：擴展焦深、擴展視野（這對于地質(zhì)切片、顆粒識別應用（徠卡清潔度專(zhuān)家）以及幾乎所有定量顯微鏡應用中的宏定制都至關(guān)重要）。

通過(guò) LAS軟件，徠卡顯微系統還繼續關(guān)注工業(yè)材料應用，并將材料領(lǐng)域專(zhuān)家的理解轉化為專(zhuān)門(mén)針對這些任務(wù)的“專(zhuān)家"軟件應用套件。目前有十種專(zhuān)家級應用套件，其中包括用于測量鋼材夾雜物的“鋼材專(zhuān)家"和用于測量過(guò)濾器顆粒并對其進(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軟件也用于法醫實(shí)驗室?！盀榱藚^分各種印刷圖案，我們將徠卡 M125 和 MZ165 體視顯微鏡與 LAS 測量模塊結合使用。"通過(guò)顯微鏡，我可以觀(guān)察到微小的墨點(diǎn)、筆跡細節和印刷特征。LAS 測量模塊在對物體進(jìn)行測量、量化所有獲取的數據并將結果傳輸到 excel 表單中方面具有不可替代的作用"。當然，從簡(jiǎn)單的細胞培養觀(guān)察到生物醫學(xué)研究中復雜的成像任務(wù)，徠卡寬場(chǎng)和共聚焦系統在整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的應用中早已確立了圖像分析的地位。詹金森表示：“病理學(xué)和細胞遺傳學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新，如數字圖像中心和玻片掃描儀，都源于圖像分析領(lǐng)域長(cháng)期而廣泛的經(jīng)驗"，“未來(lái)肯定還會(huì )有更多的創(chuàng )新"。