组织胚胎学数字化教学切片的制作体会及应用探讨

杨世明，苗青

(1．华中科技大学同济医学院基础医学院，湖北武汉430030;2．山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南250101)

●教学管理

组织胚胎学数字化教学切片的制作体会及应用探讨

杨世明1，苗青2*

(1．华中科技大学同济医学院基础医学院，湖北武汉430030;2．山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南250101)

数字切片的应用给传统教学模式带来全新变革，日益显示出其在形态学实验教学中的强大优势。本文结合组织胚胎学数字化教学切片的制作体会，从数字切片的特点、制片方法、制片过程中涉及的关键技术以及目前在应用中存在的问题等方面进行探讨，旨在促进数字切片系统软硬件功能的进一步开发与优化，为医学院校的组织胚胎学实验教学改革提供理论和技术支持。

数字切片;组织胚胎学;实验教学

组织胚胎学教学内容具有平面和立体、静态和动态、局部和整体相结合的特点。目前，形态学实验教学大多以细胞或组织标本的玻璃切片为学习对象，在使用中存在较大局限性，改革传统实验教学模式势在必行。

一、数字切片的应用特点

(一)数字切片具有玻璃切片的所有功能且易于管理，并可节省教学实验室开放成本。数字切片来源于玻璃切片，它包含了玻片标本上的所有信息，并非一张张的静态图片。数字切片的管理非常方便，查询和检索准确而迅速，并可节约玻璃切片的存储空间。以前学生离开了实验室，没有显微镜和玻片标本就无法学习，现在可通过网络浏览数字切片，不受空间与时间限制。

(二)数字切片解除了玻片标本存在的容易褪色的困扰，也为教师备课和考试出题提供精美的图片资源。对于某些切片如天竺牡丹显示的脊髓尼氏小体玻片标本，一般制作几年后就会褪色，颜色逐渐变浅以致看不清神经元的形态结构，给实验教学带来很大影响。而数字切片不存在褪色的问题，可以永久保存。我们按教学内容制作的组织胚胎学数字切片涵盖了各个系统和章节，丰富的数字切片资源为教师制作课件提供了更多的选择。数字切片内容统一，不受切片制作质量的影响，可保证考试的公正性和客观性。

二、数字切片的制作过程

(一)数字切片制作一般流程包括平台控制、自动聚焦和图像融合过程。制片时，先按操作程序打开显微镜自动控制软件和摄像机，复位显微镜硬件平台。选用低倍物镜对玻片标本进行快速扫描，显微扫描平台自动将切片沿X/Y轴方向扫描移动和Z轴方向自动聚焦而得到图像，生成导航图。选定扫描区域后，按需要采用高倍物镜进一步扫描以获得高分辨率的数字图像。转换物镜时，注意调节显微镜灯光、聚光镜以及相机的曝光值、白平衡、饱和度、颜色控制等，使屏幕上看到的图像与镜下看到的图像基本一致，以保证拍摄质量。在基本信息处填写当前切片的名字并设好图片保存位置后，选中自动聚焦功能。如果切片图像较薄且平时，可通过修改数值使自动平台隔几张自动聚焦一次，以加快拍照速度。显微光学镜头的景深较小，若遇到较厚且厚薄不均的切片时，在一幅画面中有许多模糊的地方，此时应该采用融合拍照的方法。即对相同位置的图像，从上到下对其拍摄一叠照片，然后再“合成”为一张图像，最终合成的图像包含每张图像的最清晰的部分。在对切片进行扫描拍照时，有的切片中含有大量无效图像区域，可打开空白图像过滤功能对这部分图像进行过滤，不进行自动聚焦和自动融合操作，以节省拍照时间。调整自动拍照的起始点的图像为清晰状态后，点击扫描当前区域，开始自动拍照，自动显微镜进入自动拍照工作阶段，此阶段时间根据玻片标本的情况和选择的拍照模式会有较大差别。如果未确定好拍照模式，可点击“取消”，重新检查分析切片，再确定拍摄参数。

(二)玻片标本的筛选准备和扫描条件控制。我们按照组织胚胎学实习指导中要求学生掌握的内容，分章节将切片进行分类，筛选出两套共160张结构完整、染色清晰的玻片标本，包括石蜡包埋和火棉胶包埋切片，切片厚度为5-50μm不等。另外，还有涂片、铺片、压片、磨片等标本，染色方法涵盖了苏木素伊红染色法以及各种不同的特殊染色法。我们利用数字切片系统将以上玻片标本进行扫描，制作出图像清晰完整且分辨率高的数字切片。制片时，针对不同的玻片标本选择不同的扫描控制条件。对于制作良好，厚度均匀的常规苏木素伊红染色的玻片标本，只需调节好视频图像，使用普通平扫的方式便可快速完成扫描。当扫描厚度不够均匀的标本时，一般采用自动聚焦方式拍摄。压片法制作的运动终板、火棉胶包埋制作的眼球和大小脑切片、骨磨片等，因标本很厚则需选择自动聚焦和融合，以获得理想的拍摄效果。

三、数字切片制作的关键技术

数字切片制作涉及显微图像连续采集、自动聚焦、图像融合、拼接、压缩、网络浏览等技术。性能完备的显微镜辅以高精度步进电机、控制模块和软件，可实现四维定位，保证了图像连续采集的精确度。全数字摄像机具有高分辨率、高敏感度、低噪音、长时间曝光和外触发等特点。驱动采用符合国际标准的directshow封装技术。硬件采用进口2/3英寸的逐行扫描CCD传感器，最大可实现动态400万像素、分辨率为2380X1792(10FPS)图像的实时采集，同时具有白平衡调节和颜色补偿等功能。数据传输采用USB 2．0技术，最大传输数据达480MPS，可保证图像实时采集。全景图像拼接运用了SIFT技术。SIFT算子是一种多尺度技术，由David G．Lowe在总结了现有的基于不变量技术的特征检测方法，提出的一种基于尺度空间的对图像缩放、旋转甚至仿射变换保持不变性的图像局部特征描述算子［1］。根据显微图像的特点，改进SIFT算子使计算从128维降到28维，保证了准确度，提高了效率。整个系统在技术上的创新在国内外并不多见。采用的小波图像压缩技术是现在国内外所用最广的技术［2］。如Google Earth所用的就是该技术。这种技术在多景深图像中可较稳定的对多幅图像的冗余信息和互补信息进行处理，形成对所摄场景一致性的正确描述，图像在不同分辨率上的能量和噪声不会互相干扰，融合图像的块状伪影也容易消除。

四、数字切片在应用中存在的问题

数字切片的图片质量取决于玻璃切片的制作质量。必须拥有种类齐全、制作精良、典型性强的玻璃切片库，才能采集到同样完美的数字切片库［3］。学生在实验中接受的只是一个虚幻的东西，并不能感知其制作过程，无法想像其正常生理的实物感［4］。过分依赖数字切片的使用也使得学生无法掌握传统显微镜的使用［5］。但数字切片仍不失为传统教学方法和手段的有益补充。在国外大学的经验是相比于传统的显微镜，绝大部分学生更喜欢通过观察虚拟标本片的方式进行形态学实验教学学习、测验和考试及自学［6］。目前，数字切片系统在软硬件上尚需优化，如通过更换相机和平台的控制程序及研究使用新的扫描算法以提高图片质量、加快扫描和拍摄速度。数字切片的网络浏览方式也有待改进，可考虑取消安装浏览软件，直接利用IE浏览，使浏览学习更加简便快捷。

［1］李晓明，郑链，胡占义．基于SIFT特征的遥感影像自动配准［J］．遥感学报，2006，10(6):885-892．

［2］邱玉宝，胡光道，车学文，等．ECW压缩技术在高分辨率遥感图像压缩与分发中的应用［J］．遥感技术与应用，2007，22(6):727-732．

［3］徐瑲，兰欢，赵宏贤，等．组织学数字切片库的构建与探讨［J］．基础医学教育，2012，12(7):550-552．

［4］郭燕君，徐营，沈忠飞，等．虚拟切片技术在组织胚胎学实验教学中的应用研究［J］．科技创新导报，2012(23):143-145．

［5］王霞，李娟，张明，等．基于网络的数字切片系统在医学形态学中的应用［J］．医疗卫生装备，2011，32(11):135-136．

［6］蓝永洪，牛海艳，李群，等．虚拟显微镜系统在形态学实验教学的应用［J］．中国高等医学教育，2011(4):74-75．

G642．4

A

1002-1701(2015)03-0037-02

2014-06

杨世明，男，本科，主管技师，研究方向:组织胚胎学。

*通讯作者

10．3969/j．issn．1002-1701．2015．03．020