楊世明，苗青

(1．華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢430030;2．山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟南250101)

●教學(xué)管理

組織胚胎學(xué)數(shù)字化教學(xué)切片的制作體會及應(yīng)用探討

楊世明1，苗青2*

(1．華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢430030;2．山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟南250101)

數(shù)字切片的應(yīng)用給傳統(tǒng)教學(xué)模式帶來全新變革，日益顯示出其在形態(tài)學(xué)實驗教學(xué)中的強大優(yōu)勢。本文結(jié)合組織胚胎學(xué)數(shù)字化教學(xué)切片的制作體會，從數(shù)字切片的特點、制片方法、制片過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及目前在應(yīng)用中存在的問題等方面進行探討，旨在促進數(shù)字切片系統(tǒng)軟硬件功能的進一步開發(fā)與優(yōu)化，為醫(yī)學(xué)院校的組織胚胎學(xué)實驗教學(xué)改革提供理論和技術(shù)支持。

數(shù)字切片;組織胚胎學(xué);實驗教學(xué)

組織胚胎學(xué)教學(xué)內(nèi)容具有平面和立體、靜態(tài)和動態(tài)、局部和整體相結(jié)合的特點。目前，形態(tài)學(xué)實驗教學(xué)大多以細(xì)胞或組織標(biāo)本的玻璃切片為學(xué)習(xí)對象，在使用中存在較大局限性，改革傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式勢在必行。

一、數(shù)字切片的應(yīng)用特點

(一)數(shù)字切片具有玻璃切片的所有功能且易于管理，并可節(jié)省教學(xué)實驗室開放成本。數(shù)字切片來源于玻璃切片，它包含了玻片標(biāo)本上的所有信息，并非一張張的靜態(tài)圖片。數(shù)字切片的管理非常方便，查詢和檢索準(zhǔn)確而迅速，并可節(jié)約玻璃切片的存儲空間。以前學(xué)生離開了實驗室，沒有顯微鏡和玻片標(biāo)本就無法學(xué)習(xí)，現(xiàn)在可通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽數(shù)字切片，不受空間與時間限制。

(二)數(shù)字切片解除了玻片標(biāo)本存在的容易褪色的困擾，也為教師備課和考試出題提供精美的圖片資源。對于某些切片如天竺牡丹顯示的脊髓尼氏小體玻片標(biāo)本，一般制作幾年后就會褪色，顏色逐漸變淺以致看不清神經(jīng)元的形態(tài)結(jié)構(gòu)，給實驗教學(xué)帶來很大影響。而數(shù)字切片不存在褪色的問題，可以永久保存。我們按教學(xué)內(nèi)容制作的組織胚胎學(xué)數(shù)字切片涵蓋了各個系統(tǒng)和章節(jié)，豐富的數(shù)字切片資源為教師制作課件提供了更多的選擇。數(shù)字切片內(nèi)容統(tǒng)一，不受切片制作質(zhì)量的影響，可保證考試的公正性和客觀性。

二、數(shù)字切片的制作過程

(一)數(shù)字切片制作一般流程包括平臺控制、自動聚焦和圖像融合過程。制片時，先按操作程序打開顯微鏡自動控制軟件和攝像機，復(fù)位顯微鏡硬件平臺。選用低倍物鏡對玻片標(biāo)本進行快速掃描，顯微掃描平臺自動將切片沿X/Y軸方向掃描移動和Z軸方向自動聚焦而得到圖像，生成導(dǎo)航圖。選定掃描區(qū)域后，按需要采用高倍物鏡進一步掃描以獲得高分辨率的數(shù)字圖像。轉(zhuǎn)換物鏡時，注意調(diào)節(jié)顯微鏡燈光、聚光鏡以及相機的曝光值、白平衡、飽和度、顏色控制等，使屏幕上看到的圖像與鏡下看到的圖像基本一致，以保證拍攝質(zhì)量。在基本信息處填寫當(dāng)前切片的名字并設(shè)好圖片保存位置后，選中自動聚焦功能。如果切片圖像較薄且平時，可通過修改數(shù)值使自動平臺隔幾張自動聚焦一次，以加快拍照速度。顯微光學(xué)鏡頭的景深較小，若遇到較厚且厚薄不均的切片時，在一幅畫面中有許多模糊的地方，此時應(yīng)該采用融合拍照的方法。即對相同位置的圖像，從上到下對其拍攝一疊照片，然后再“合成”為一張圖像，最終合成的圖像包含每張圖像的最清晰的部分。在對切片進行掃描拍照時，有的切片中含有大量無效圖像區(qū)域，可打開空白圖像過濾功能對這部分圖像進行過濾，不進行自動聚焦和自動融合操作，以節(jié)省拍照時間。調(diào)整自動拍照的起始點的圖像為清晰狀態(tài)后，點擊掃描當(dāng)前區(qū)域，開始自動拍照，自動顯微鏡進入自動拍照工作階段，此階段時間根據(jù)玻片標(biāo)本的情況和選擇的拍照模式會有較大差別。如果未確定好拍照模式，可點擊“取消”，重新檢查分析切片，再確定拍攝參數(shù)。

(二)玻片標(biāo)本的篩選準(zhǔn)備和掃描條件控制。我們按照組織胚胎學(xué)實習(xí)指導(dǎo)中要求學(xué)生掌握的內(nèi)容，分章節(jié)將切片進行分類，篩選出兩套共160張結(jié)構(gòu)完整、染色清晰的玻片標(biāo)本，包括石蠟包埋和火棉膠包埋切片，切片厚度為5-50μm不等。另外，還有涂片、鋪片、壓片、磨片等標(biāo)本，染色方法涵蓋了蘇木素伊紅染色法以及各種不同的特殊染色法。我們利用數(shù)字切片系統(tǒng)將以上玻片標(biāo)本進行掃描，制作出圖像清晰完整且分辨率高的數(shù)字切片。制片時，針對不同的玻片標(biāo)本選擇不同的掃描控制條件。對于制作良好，厚度均勻的常規(guī)蘇木素伊紅染色的玻片標(biāo)本，只需調(diào)節(jié)好視頻圖像，使用普通平掃的方式便可快速完成掃描。當(dāng)掃描厚度不夠均勻的標(biāo)本時，一般采用自動聚焦方式拍攝。壓片法制作的運動終板、火棉膠包埋制作的眼球和大小腦切片、骨磨片等，因標(biāo)本很厚則需選擇自動聚焦和融合，以獲得理想的拍攝效果。

三、數(shù)字切片制作的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字切片制作涉及顯微圖像連續(xù)采集、自動聚焦、圖像融合、拼接、壓縮、網(wǎng)絡(luò)瀏覽等技術(shù)。性能完備的顯微鏡輔以高精度步進電機、控制模塊和軟件，可實現(xiàn)四維定位，保證了圖像連續(xù)采集的精確度。全數(shù)字?jǐn)z像機具有高分辨率、高敏感度、低噪音、長時間曝光和外觸發(fā)等特點。驅(qū)動采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的directshow封裝技術(shù)。硬件采用進口2/3英寸的逐行掃描CCD傳感器，最大可實現(xiàn)動態(tài)400萬像素、分辨率為2380X1792(10FPS)圖像的實時采集，同時具有白平衡調(diào)節(jié)和顏色補償?shù)裙δ堋?shù)據(jù)傳輸采用USB 2．0技術(shù)，最大傳輸數(shù)據(jù)達480MPS，可保證圖像實時采集。全景圖像拼接運用了SIFT技術(shù)。SIFT算子是一種多尺度技術(shù)，由David G．Lowe在總結(jié)了現(xiàn)有的基于不變量技術(shù)的特征檢測方法，提出的一種基于尺度空間的對圖像縮放、旋轉(zhuǎn)甚至仿射變換保持不變性的圖像局部特征描述算子［1］。根據(jù)顯微圖像的特點，改進SIFT算子使計算從128維降到28維，保證了準(zhǔn)確度，提高了效率。整個系統(tǒng)在技術(shù)上的創(chuàng)新在國內(nèi)外并不多見。采用的小波圖像壓縮技術(shù)是現(xiàn)在國內(nèi)外所用最廣的技術(shù)［2］。如Google Earth所用的就是該技術(shù)。這種技術(shù)在多景深圖像中可較穩(wěn)定的對多幅圖像的冗余信息和互補信息進行處理，形成對所攝場景一致性的正確描述，圖像在不同分辨率上的能量和噪聲不會互相干擾，融合圖像的塊狀偽影也容易消除。

四、數(shù)字切片在應(yīng)用中存在的問題

數(shù)字切片的圖片質(zhì)量取決于玻璃切片的制作質(zhì)量。必須擁有種類齊全、制作精良、典型性強的玻璃切片庫，才能采集到同樣完美的數(shù)字切片庫［3］。學(xué)生在實驗中接受的只是一個虛幻的東西，并不能感知其制作過程，無法想像其正常生理的實物感［4］。過分依賴數(shù)字切片的使用也使得學(xué)生無法掌握傳統(tǒng)顯微鏡的使用［5］。但數(shù)字切片仍不失為傳統(tǒng)教學(xué)方法和手段的有益補充。在國外大學(xué)的經(jīng)驗是相比于傳統(tǒng)的顯微鏡，絕大部分學(xué)生更喜歡通過觀察虛擬標(biāo)本片的方式進行形態(tài)學(xué)實驗教學(xué)學(xué)習(xí)、測驗和考試及自學(xué)［6］。目前，數(shù)字切片系統(tǒng)在軟硬件上尚需優(yōu)化，如通過更換相機和平臺的控制程序及研究使用新的掃描算法以提高圖片質(zhì)量、加快掃描和拍攝速度。數(shù)字切片的網(wǎng)絡(luò)瀏覽方式也有待改進，可考慮取消安裝瀏覽軟件，直接利用IE瀏覽，使瀏覽學(xué)習(xí)更加簡便快捷。

［1］李曉明，鄭鏈，胡占義．基于SIFT特征的遙感影像自動配準(zhǔn)［J］．遙感學(xué)報，2006，10(6):885-892．

［2］邱玉寶，胡光道，車學(xué)文，等．ECW壓縮技術(shù)在高分辨率遙感圖像壓縮與分發(fā)中的應(yīng)用［J］．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(6):727-732．

［3］徐瑲，蘭歡，趙宏賢，等．組織學(xué)數(shù)字切片庫的構(gòu)建與探討［J］．基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2012，12(7):550-552．

［4］郭燕君，徐營，沈忠飛，等．虛擬切片技術(shù)在組織胚胎學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(23):143-145．

［5］王霞，李娟，張明，等．基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字切片系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)中的應(yīng)用［J］．醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32(11):135-136．

［6］藍永洪，牛海艷，李群，等．虛擬顯微鏡系統(tǒng)在形態(tài)學(xué)實驗教學(xué)的應(yīng)用［J］．中國高等醫(yī)學(xué)教育，2011(4):74-75．

G642．4

A

1002-1701(2015)03-0037-02

2014-06

楊世明，男，本科，主管技師，研究方向:組織胚胎學(xué)。

*通訊作者

10．3969/j．issn．1002-1701．2015．03．020