ДЕБЮТ
Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 7. -
Вып. 1. - 2008. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTМ
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-17-html/TITL-17.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-17-html/cont.htm
УДК 615.471.03:616-073.4]:681.5
Компьютерная
микроскопия и микроскопическая техника
Ó
2008 г. Попов К. И.
Статья посвящена анализу современного
состояния проблемы компьютерной микроскопии и микроскопической техники,
возможности модернизации существующих отечественных микроскопов в комплексы
автоматизированной микросокопии.
Ключевые
слова: компьютерная микроскопия, комплексы автоматизированной
микроскопии.
Содержание
1. История вопроса: появление микроскопа в России
2. Современное состояние проблемы
2.1.
Современные микроскопы
2.2.
Комплекс
автоматизированной микроскопии (КАМ)
2.3.
Требования к
компьютерной микроскопии для максимально полной реализации возможностей
современной техники
2.4.
Модернизация микроскопов
для целей компьютерной микроскопии
2.4.1. Модернизация микроскопа МБИ-6
2.4.2.
Примеры
цифровых микрофотографий, полученных при помощи
модернизированного микроскопа МБИ-6
Заключение
Литература
1. История вопроса: появление микроскопа в России
История микроскопа в России
началась с путешествия по Европе Петра I, где он встретился с
Антонио Левенгуком (летом 1698 г.) и имел с ним двухчасовую беседу, в ходе
которой Левенгук демонстрировал Петру чудеса микроскопа. Беседа Петра I с
Левенгуком имела и практические последствия для российской науки. Русский царь
велел приобрести ряд микроскопов в Голландии, а также пригласил в Россию
голландского оптика Л. Шеппера, который уже непосредственно в России стал
изготавливать оптические стекла для микроскопов.
Возможно, что под влиянием
впечатлений от знакомства со знаменитым европейским учёным, Петр I
повелел учредить в России научное учреждение европейского типа – Академию наук
(«Академию наук и курьезных художеств», как она вначале называлась).
Так началась история
«мелкоскопа» в России [1, 2].
2. Современное состояние проблемы
Быстро растущий рынок комплексов автоматизированной микроскопии насыщен в настоящее время множеством различных по качеству и стоимости изделий, собранных из сотен вариантов комплектующих [3, 4, 5, 6, 7, 8]. Некоторые потребители самостоятельно собирают комплексы микроскопии, состоящие из микроскопа, видеокамеры (фотоаппарата) и компьютера. Правильно собранные таким образом комплексы не уступают качеством изображения от промышленных образцов и имеют низкую себестоимость [9].
2.1. Современные микроскопы
В данном разделе рассматриваются микроскопы для наблюдения в проходящем свете. Классические бинокулярные микроскопы не предназначены для передачи изображений в компьютер. Для создания современной, системы микроскопии необходим тринокулярный микроскоп с дополнительным выходом для видеокамеры, стоимость которого на 2-15% дороже, чем бинокулярного. Существуют, правда, видеокамеры, которые можно вставить в бинокулярный микроскоп вместо одного из окуляров. Однако посредственное качество изображения такой видеокамеры и неудобство работы с одним окуляром не позволяют рекомендовать этот вариант для создания комплекса автоматизированной микроскопии. В целом бинокулярные микроскопы с ручным управлением начинают уступать свое место на рынке тринокулярным микроскопам и интегрированным микроскопам, имеющим в своем составе видеокамеру и (или) моторизованные блоки, управляемые компьютером. Логическим завершением тенденции интеграции является микроскоп общего назначения:
А) Motic DMBA200 [10] (Рис. 1)
Рис. 1
Особенности:
·
Сочетание
высококачественной оптической системы CCIS (Colour Corrected Infinity System)
со встроенной 2.0 мегапиксельной камерой делает микроскоп DMBA200 великолепным
оборудованием как для учебных целей, так и для лабораторных исследований.
·
Отличный
эргономичный дизайн делает этот микроскоп исключительно комфортным для
использования.
·
Простота
подключения микроскопа к компьютеру с использованием Plug&Play USB2.0
кабеля.
·
Возможность
наблюдения изображения на экране компьютера в реальном времени с максимальным
разрешением 1600х1200 пикселей.
·
Программное
обеспечение Motic Images Plus 2.0 Multi Language edition входит в комплект
поставки.
·
В
комплект поставки входит USB2.0 High Speed data transfer PCI card для
компьютера.
Б) Биологический микроскоп
со встроенной цифровой камерой Motic MBA300 [10] (Рис. 2).
Рис. 2
Особенности:
·
Благодаря
высококачественной оптической системе и эргономичному дизайну DMBA300 отлично
подойдет для любой лаборатории и рутинных исследований.
·
Центрируемый
1.25N.A. конденсор в сочетании с мощной 6В/30Вт галогенной лампой в системе
освещения по Келлеру обеспечивают яркое и контрастное изображение в широком
диапазоне применений.
·
Простота
подключения микроскопа к компьютеру с использованием Plug&Play USB2.0
кабеля и возможность наблюдения изображения на экране компьютера в реальном
времени с максимальным разрешением 1600х1200 пикселей.
·
5-ти
местная револьверная головка и большой предметный столик со специальным твердым
износоустойчивым покрытием увеличивают рабочее пространство, создавая, тем
самым, комфорт для пользователя.
·
Программное
обеспечение Motic Images Plus 2.0 Multi Language edition входит в комплект
поставки.
·
В
комплект поставки входит USB2.0 High Speed data transfer PCI card для
компьютера.
В) Цифровой микроскоп Motic DM52 [11] (Рис. 3).
Рис. 3
Особенности:
·
Микроскоп
для учебных целей.
·
Металлическая
конструкция и оптика с многослойным просветлением.
·
Встроенная
цифровая камера для вывода изображения наблюдаемого объекта на экран
компьютера.
·
Простота
подключения микроскопа к компьютеру с использованием Plug&Play USB кабеля.
·
В
системе подсветки используется светодиод, что позволяет избежать многих проблем,
вызываемых нагревом лампы накаливания в традиционных системах подсветки, и
делает возможным работу с микроскопом в автономном режиме до 50 часов,
благодаря встроенным аккумуляторам.
2.2. Комплексы автоматизированной микроскопии (КАМ)
Это оборудование, предназначенное для дооснащения микроскопов различных типов, может иметь разный состав и быть представлено набором из следующих элементов: моторизованный драйвер фокусировки; моторизованный предметный стол; моторизованный револьвер смены объективов; моторизованный узел смены фильтров; электронный блок управления освещением; моторизованный транспортер доставки предметных стекол на предметный стол; электронный блок идентификации стекла по штрих-коду и др. Этим оборудованием необходимо управлять через компьютер, поэтому в комплект автоматизированного микроскопа входит также электронный блок управления. Оборудование автоматизации уже заняло прочное место на рынке микроскопов для медицины. Нет сомнений, что в ближайшем будущем оно станет обязательным стандартным компонентом как интегрированных, так и модульных систем микроскопии. Тем не менее, чтобы не удорожать без необходимости систему микроскопии, целесообразно включать в состав оборудования автоматизации только те элементы, которые позволяют значительно улучшить условия труда и качество проводимых анализов [12, 13].
2.3. Требования к компьютерной микроскопии для максимально полной реализации возможностей
современной техники
Оборудование автоматизации не может быть установлено на дешевых микроскопах с низким качеством механики, а также на микроскопах с несъемным предметным столом. Качество механики должно обеспечивать равномерность перемещения предметного стола при повороте винта тонкой фокусировки, в том числе при смене направлений, точность горизонтальной установки предметного стола. В дешевых микроскопах эти условия обычно не выполняются. Имеют значение также габариты, плотность компоновки, размеры конденсора, механические связи различных приводов фокусировки и др.
Важное значение для
эффективной работы программ количественного анализа имеет качество освещения
поля зрения. При применении стандартных галогеновых ламп интенсивность
освещения в диапазоне синего цвета в 3—4 раза ниже интенсивности в диапазоне
красного цвета. Микроскопы-тринокуляры с лампой 20 Вт и с делением потока света
могут иметь недостаточное освещение на объективе.
В ряде случаев для обеспечения
необходимой точности измерений микроскоп может быть дооснащен специальными
средствами освещения, улучшающими яркость, равномерность, имеющими спектральный
состав, согласованный с характеристиками видеокамеры.
Для автоматизированных
методик в большинстве случаев достаточно использовать дешевые объективы класса
планахромат, которые в настоящее время входят в стандартные комплектации
микроскопов. Эти объективы вносят цветовые искажения изображений поля зрения,
связанные с различным положением фокуса на разных длинах волн. Для методик с
высокими требованиями к качеству визуализации и документирования изображений
могут требоваться более дорогие объективы, устраняющие эти искажения
(планапохроматы). Для увеличения площади поля зрения могут применяться объективы
с относительно малым увеличением при высокой апертуре: 30х, 40х, 50х.
2.4
. Модернизация
микроскопов для целей компьютерной микроскопии
А) Моторизованный привод фокусировки.
Включение в состав этого элемента,
увеличивающего цену системы на 10-30% от стоимости микроскопа (при использовании
моторизованного винта тонкой фокусировки), может значительно увеличить
эффективность работы при массовом диалоговом визуальном анализе, особенно в
случае толстых препаратов или объемных объектов. Такой КАМ минимальной комплектации
оборудования автоматизации эффективно дополняется программами, имеющими средства
автофокуса и мультифокуса. Моторизованный винт тонкой фокусировки в простейшем
случае обеспечивает минимальный шаг фокуса, соответствующий глубине резкости
объектива 100х (0,15-0,2 мкм). Управляемая программно автофокусировка с таким
оборудованием выполняется за 0,3-1 с.
В последнее время появились
устройства автофокусировки на базе пьезоэлементов, вставляемые в гнездо
объектива и перемещающие, не предметный стол, а объектив. Такие достаточно
дорогие устройства позволяют выполнять автофокусировку с весьма высокой точностью
и скоростью.
Б) Моторизованный предметный стол (МПС).
Этот элемент предоставляет системе возможность перемещать препарат по горизонтали. МПС может быть снабжен препаратодержателем на несколько предметных стекол (до 8), что позволяет обрабатывать в одном цикле несколько препаратов с уменьшением времени обслуживания системы персоналом. В большинстве случаев МПС поставляется в комплекте с моторизованным блоком тонкого винта фокусировки и с общим блоком управления.
В) Моторизованный револьвер смены объективов.
Этот элемент полезен как дополнение к элементам перемещения препарата при анализах, требующих многократного (систематического) возврата к ранее обнаруженным объектам для просмотра на другом увеличении. Примером такого анализа является поиск яиц гельминтов и простейших в препаратах фекалий и смывов.
Г) Видеокамеры и фотоаппараты.
На рынке представлены сотни типов аналоговых и цифровых видеокамер и цифровых фотоаппаратов для микроскопии различных по разрешению, чувствительности, уровню шума, качеству цветопередачи, скорости ввода, качеству "живого видео", управляемости, адаптируемости, универсальности.
Различные видеокамеры (фотоаппараты) и платы ввода могут формировать цифровое изображение с количеством пространственных элементов (пикселей) в диапазоне от 0,4 до 24 М (миллионов). Столь же велик диапазон качества каждого пикселя: могут применяться весьма разные диапазоны градаций яркости, уровня шума, чувствительности, качества цветопередачи. Поэтому часто используемая характеристика "число пикселей на микрон объекта" далеко не всегда пропорциональна реальному разрешению.
Воспользоваться высоким разрешением видеокамеры можно только за счет довольно медленной передачи кадров в компьютер, поскольку кадры высокого' разрешения имеют большой объем. При разрешении 0,4 М пикселей современные платы ввода обеспечивают удобные для зрения 25 и более кадров в секунду, а при разрешении, например, 4 М пикселей - не более 10 кадров в секунду. Скорость 10 кадров/с может быть мала для наблюдений живых объектов и для приложений, где необходима высокая скорость просмотра препарата, например для анализа живой спермы рекомендуются камеры со скоростью от 30 кадров/с.
Высокочувствительные камеры с охлаждением позволяют видеть на экране слабосветящиеся неразличимые глазом объекты. Камеры с внутренней памятью визуализируют быстротекущие процессы, накапливая с высокой скоростью кадры высокого разрешения для последующей более медленной передачи в компьютер.
Цифровые фотоаппараты при высоком разрешении матрицы имеют дешевые интерфейсы связи с компьютером и небольшую скорость ввода изображений в компьютер, что не позволяет их использовать в методиках с анализом большого числа изображений. Фотоаппараты с несъемным объективом требуют для подключения громоздкого специального оптического адаптера, существенно увеличивающего стоимость и снижающего итоговое разрешение.
Диапазон цен, как и диапазон рассмотренных, характеристик видеокамер и цифровых фотоаппаратов медицинского назначения, весьма широк: 25-300% цены собственно микроскопа.
Д) Адаптеры присоединения видеокамеры к микроскопу.
Адаптеры присоединения
видеокамеры к микроскопу позволяют механически закрепить видеокамеру (или
фотоаппарат) на видео (фото) выходе тринокуляра или в гнезде окуляра. Адаптеры
выполняют также оптическое согласование, обеспечивая передачу изображения поля
зрения на матрицы видеокамеры. Качество этого согласования зависит от оптики
микроскопа, поэтому обычно адаптеры, поставляют производители микроскопов.
2.4.1. Модернизация микроскопа МБИ-6
Микроскоп МБИ-6 предназначен для визуальных исследований и фотографирования объектов в проходящем свете в светлом поле при прямом и косом освещении, в темном поле, с фазовым контрастом и в поляризованном свете, а также в отраженном свете светлом и тёмном поле и в поляризованных лучах [14] (Рис. 4).
Рис. 4
Для применения цифровой фотосъёмки предложено
использование цифровой фотокамеры (CANON), для присоединения её к
окуляру микроскопа использовался лабораторный штатив (Рис. 5).
Рис. 5
2.4.2. Примеры цифровых микрофотографий, полученных при помощи модернизированного микроскопа МБИ-6
На рис. 6-11 представлены цифровые микрофотографии, полученные при помощи модернизированного микроскопа МБИ-6. Микроскопические препараты изготовлены студенткой 1-го курса лечебного факультета Смоленской государственной медицинской академии Т. К. Горбуновой.
Рис. 6 Рис. 7.
Рис. 8. Рис. 9.
Рис. 10. Рис. 11.
Рис. 6. –
Ткань печени. Гематоксилин-эозин. Об.8х, ок. 15х.
Рис. 7. –
Ткань печени. Гематоксилин-эозин. Об.8х, ок. 15х.
Рис. 8. –
Ткань миокарда. Гематоксилин-эозин. Об.8х, ок. 15х.
Рис. 9. –
Ткань печени. Гематоксилин-эозин. Об.8х, ок. 15х.
Рис.10.–Ткань матки (миоматозный
узел).Гематоксилин-эозин. Об.8х,ок.15х.
Рис. 11. –Ткань матки. Гематоксилин-эозин. Об.8х,
ок. 15х.
Заключение
В текущем десятилетии
благодаря улучшению характеристик и снижению стоимости видео и компьютерной
техники, а также благодаря разработке новых программ, комплексы
автоматизированной микроскопии (КАМ) активно войдут в практику работы
научно-исследовательских и медицинских лабораторий. В то же время современные
КАМ остаются достаточно сложными системами, разработка, закупка и эксплуатация
которых требует учета многих технических, экономических и медицинских факторов.
Литература
1. Соболев С. Л. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. – М., Л.: Академия наук СССР, 1949. – 606 с.
2. Шевлюк Н. Н. К 375-летию Антони Ван Левенгука. – Морфология. – 2007. – Т. 132. - №6. – С. 83-87.
3.
LEITZ
MIAMED MF (Metaphase finding system) The new generation of Leitz instruments
for the clinical routine laboratory (Рекламный проспект).
4.
Leitz
DIAPLAN. Versatile scientific and clinical microscope – LEICA (Рекламный проспект).
5.
WILD
M400, M410, M420 MAKROSKOPE DAS BAUKASTENSYSTEM - WILD LEITZ (Рекламный проспект).
6.
WILD
M3B, M3C, M3Z, M3ZPLAN STEREOMAKROSKOPES. The modular system. - WILD LEITZ (Рекламный проспект).
7.
WILD
MPS 46/52 PHOTOAUTOMAT - WILD LEITZ (Рекламный проспект).
8.
KODAK Professional DCS 420 Digital Camera (Рекламный проспект).
9. mirslovarei.com
10. http://www.opticalsys.ru/cat57.html
11. www.leika.ru
12. Медовый В. С., Парпара А. А., Соколинский Б. З., Демьянов В. Л. Состав оборудования и системная платформа комплексов автоматизированной микроскопии. – Медицинская техника. – 2007. –№2. – C. 29-36.
13. Медовый В. С., Парпара А. А., Пятницкий А. М. и др. //Клин. лаб. диагн. – 2006. - №7.
14. Микроскоп биологический исследовательский МБИ-6. Инструкция к пользованию. – Л.: ЛОМО, 1967. – 30с.
Computer microscopy and microscopy technics
Popov K. I.
The article analizes contemporary status of computer microscopy and
microscopy technics problem and the possible modernization of authentic Russian
microscopes into automatized microscopy complexes.
Key words: computer microscopy, automatized microscopy complexes.
Human
anatomy department.
Smolensk
State Medical Academy.
Delivered on 29.03.2008
Кафедра анатомии человека
Смоленская государственная медицинская
академия
Поступила в редакцию 29.03.2008.