Морфологические исследования осуществляются путем анализа изображений микроорганизмов или их популяций, получаемых с помощью оптических и электронных приборов. В последнее время создаются автоматизированные системы обработки изображений (АСОИз).
Эти системы являются важной частью автоматизированных систем научных исследований (АСНИ). АСОИз снижают трудоемкость экспериментов, сокращают время их выполнения, способствуют получению более полных моделей объектов исследования, что позволяет точнее диагностировать состояние популяции микроорганизмов, управлять их ростом, решать другие задачи медицины, микробиологии, биотехнологии.
Число создаваемых в настоящее время АСОИз растет. Это объясняется многообразием технических, математических и алгоритмических возможностей, положенных в основу конструируемых АСОИз, а также многочисленными областями их применения.
Основное звено всех АСОИз — автоматический ввод изображений. В настоящее время как в СССР, так и за рубежом разработаны различные типы таких устройств, в которых в основном используются схемы электронной (телевизионной) и оптико-механической развертки. Приемник с электронной разверткой обеспечивает высокий темп ввода данных, однако он отличается сравнительно низкой точностью и разрешающей способностью, а также нестабильностью параметров.
Противоположные характеристики — высокую точность ввода и малую скорость — имеют устройства с оптико-механической разверткой. Возможность создания устройств, совмещающих эти характеристики, видимо, заключена в применении новых типов электронных преобразователей энергии: многоэлементных полупроводниковых матриц, приборов с зарядовой связью и т. п.
АСОИз также включает устройство анализа введенного изображения. По типу такие устройства делятся на аналоговые (электронные, оптические), цифровые и гибридные. Последние сочетают высокую скорость обработки изображений, типичную для аналоговых систем, с гибкостью управления и точностью, характерными для цифровых систем.
Еще одним звеном АСОИз являются устройства вывода изображений и результатов анализа. Это вывод на твердые носители информации (бумага, фотопленка и т. п.), на различные запоминающие устройства (магнитные ленты, диски и т. п.), вывод в канал связи и на дисплейные экраны.
Ленинградским оптико-механическим объединением и Московским институтом ВНИИсинтезбелок разработан автоматизированный комплекс «Люмам ПМ-11» — ЭВМ «Электроника-В» для сканирующей световой микроскопии. Он обеспечивает оптико-механическую развертку, основанную на дискретном механическом перемещении предметного столика по двум осям с помощью двух шаговых электродвигателей, управляемых от специального пульта или дистанционно от ЭВМ.
В качестве фотоприемника используется фотоэлектронный умножитель, что обеспечивает высокий динамический диапазон по уровню сигнала. Комплекс успешно применяется для автоматической диагностики функционального состояния дрожжевых культур по морфометрическим показателям, для сравнительного морфологического анализа лимфоцитов и других исследований.
На базе данного комплекса в НИЦбиоавтоматика создано автоматизированное рабочее место для морфологических исследований в микробиологии, предназначенное для решения как исследовательских, так и учебных задач (рис. 38).
Рис. 38. Внешний вид АРМа «Морфометрический анализ»
Программное обеспечение АРМа построено по модульному принципу и реализует диалоговый режим работы, дающий возможность оператору непосредственно контролировать процесс обработки изображения и выбирать необходимую последовательность операций обработки. Алфавитно-цифровой дисплей, входящий в штатный комплекс «Электроники-В», используется для вывода как текстовой информации, так и графической. Качество выводимых изображений оказывается достаточным для того, чтобы оператор мог оценить правильность их преобразований и принять нужное решение.
В состав программного обеспечения АРМа входят следующие основные модули:
- сканирования и фотометрирования прямоугольного кадра;
- отображения изображения на экране алфавитно-цифрового дисплея в цифровой и условно-графической форме;
- пороговой дискриминации, предназначенный для представления изображений двумя уровнями;
- фильтрации изображения, обеспечивающей улучшение его качества, устранение мелкой «грязи», светящихся точек и т.д.;
- анализа кадра, используемый для последовательного поиска объектов в кадре, их обработки и занесения выходной информации в соответствующие списки;
- выделения контура объекта и точек изображения, принадлежащих объекту;
- расчета геометрических характеристик объекта;
- расчета параметров, определяющих яркость объекта (среднее и дисперсия по его площади);
- расчета содержания внутренних включений (липиды, вакуоли);
- расчета средних дисперсий и гистограмм измеряемых параметров по совокупности проанализированных объектов;
- отображения полученных результатов на дисплее и АЦПУ (рис. 39).
Рис. 39. Пример обработки мазка дрожжей на АРМе «Морфометрическии анализ»