處理數(shù)據(jù)

應(yīng)對高速且大量的數(shù)據(jù)

光片顯微鏡的一個顯著優(yōu)點是能夠在數(shù)小時（或數(shù)天）內(nèi)以非常高的時間與空間分辨率對大樣本進行成像，但由此導(dǎo)致的結(jié)果是會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，很容易達到TB級別，于是樣本成像的速度不再受圖像采集速度的限制，而是受數(shù)據(jù)處理電腦、存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸速度的限制。

當(dāng)以中等幀速成像時，相機采集的數(shù)據(jù)可以簡單地通過消費級市場標(biāo)準(zhǔn)的連接（例如USB或FireWire）傳輸?shù)讲杉�電腦的存儲磁盤，甚至使用網(wǎng)絡(luò)連接傳輸?shù)皆贫说钠胀ù鎯﹄娔X。如果使用速度更快的相機，數(shù)據(jù)傳輸速度將會成為限制。有些相機允許圖像數(shù)據(jù)流保存到內(nèi)部存儲器，需要在采集后讀出；其他相機則選擇采用更快的數(shù)據(jù)連接，這在大多數(shù)情況下需要在計算機中安裝額外的硬件（圖像采集卡）。然后，數(shù)據(jù)流要么傳輸?shù)阶銐虼蟮闹鞔鎯ζ�，要么以同樣快的速度（避免�?shù)據(jù)丟失）傳輸?shù)綄Ｓ玫臄?shù)據(jù)存儲設(shè)備。

還有一種辦法則是通過圖像壓縮來降低數(shù)據(jù)量。圖像數(shù)據(jù)可以在相機、圖像采集卡、處理器（CPU）或圖形處理卡（GPU）中壓縮。這樣的確能直接減輕數(shù)據(jù)傳輸和存儲系統(tǒng)的壓力，但增加了對壓縮和隨后解壓縮的處理能力的需求。

解決數(shù)據(jù)量問題的一個更有效的選擇是在拍攝前預(yù)定義感興趣的區(qū)域（ROI），并僅存儲這些區(qū)域的數(shù)據(jù)。這種實時處理的方法一般是為特定的某個標(biāo)本或科學(xué)問題定制的，但可以使圖像數(shù)據(jù)本身減少很多。同時，在處理過程中數(shù)據(jù)已經(jīng)很好地被可視化，以便于進一步的數(shù)據(jù)分析。理想情況下，顯微鏡（或相機）應(yīng)該直接輸出預(yù)處理和壓縮后的數(shù)據(jù)，或者，如果可能的話，直接輸出最終結(jié)果（圖5-1）。

（圖5-1）

圖 5-1 處理光片顯微鏡數(shù)據(jù)集

 光片顯微鏡所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要強大的數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的成像實驗方法（頂行）是從相機獲取樣本的圖像數(shù)據(jù)開始，在預(yù)處理（如轉(zhuǎn)換和裁剪等）之后，對數(shù)據(jù)進行處理（如濾波、配準(zhǔn)和分割等）和分析（如細(xì)胞追蹤等），然后才能得到最終結(jié)果。一些自定義方法（中間行）可以在特定成像實驗中實時進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并減少后續(xù)處理和分析步驟的負(fù)擔(dān)。最理想的情況是顯微鏡甚至相機本身可以直接輸出最終結(jié)果，而無需對原始數(shù)據(jù)進行任何存儲、傳輸和處理（最后一行）。

另一種可能性是智能顯微鏡，它能更進一步，不預(yù)先定義ROI，而是讓顯微鏡選擇分別以何種分辨率拍攝哪些區(qū)域。智能顯微鏡這樣的選擇可以基于現(xiàn)有的，或者之前所拍攝的相似樣本的數(shù)據(jù)。

5.2 圖像增強

由于通過光片顯微鏡采集的圖像數(shù)據(jù)優(yōu)秀的信噪比和整體圖像質(zhì)量，在獲得數(shù)據(jù)后通常不需要進行過多的增強、去噪或恢復(fù)步驟。如有必要，用于共聚焦顯微鏡或?qū)拡鲲@微鏡所采集圖像數(shù)據(jù)的各種濾波器也可用于光片顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)。

5.3 多視圖融合

從多視圖獲取圖像數(shù)據(jù)（見光片技術(shù)小課堂四4.1）之后，一個必要的處理步驟是多視圖融合。第一步是在空間中相互配準(zhǔn)各個視圖，這可以通過基準(zhǔn)標(biāo)記（如熒光珠，見光片技術(shù)小課堂三3.1）、樣本內(nèi)的結(jié)構(gòu)（如熒光核）或采集過程中相對位移位置的精確信息來實現(xiàn)。一旦配準(zhǔn)，可以通過平均圖像強度或以基于內(nèi)容的方式來融合圖像數(shù)據(jù)。多視圖融合的結(jié)果是繼承了每個視圖最佳特征的單個數(shù)據(jù)集。最終，使用者們會希望實時執(zhí)行這種多視圖融合，以便只保存最終融合，而不保存任何原始數(shù)據(jù)。

5.4 圖像分析

光片顯微鏡和其他傳統(tǒng)顯微鏡，例如共焦顯微鏡，的圖像分析方法沒有太大區(qū)別。數(shù)據(jù)集可能需要進行三維重構(gòu)，數(shù)據(jù)對象可能需要進行分割和追蹤，可能需要在空間和時間上測量信號強度，還可能需要分析多個通道之間的相關(guān)性。對于共定位研究和熒光定量，必須的注意一點是靠近視野邊緣時的光片形態(tài)和強度的變化，因為這會影響照明和熒光激發(fā)。因此，使用者應(yīng)仔細(xì)檢查光片參數(shù)（見光片技術(shù)小課堂四4.2），并使用選定的基準(zhǔn)標(biāo)記驗證x、y和z中每個通道的重疊。

在大多數(shù)情況下，光片顯微鏡所獲取的圖像數(shù)據(jù)與普通光學(xué)顯微鏡的主要區(qū)別通常是數(shù)據(jù)量過大。光片顯微鏡所獲取的高空間與時間分辨率的數(shù)據(jù)需要更強大的計算能力，并且這尤其適用于延時數(shù)據(jù)的分析。普通的分析工具通常需要將整個數(shù)據(jù)集加載到內(nèi)存中，而對于光片顯微鏡的圖像數(shù)據(jù)來說，這通常是不可能的。與普通的光學(xué)顯微鏡實驗相比，使用者必須謹(jǐn)慎考慮所需的分辨率：最高的可能速度、最大的視野和最高的分辨率可能聽起來非常美好，但數(shù)據(jù)量的快速增加也會使后續(xù)分析變得更加困難。

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