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BILDANALYSE & -BEARBEITUNG

Ins Bild gesetzt - erweiterte Möglichkeiten mit der richtigen Software

23.03.2005 | Autor / Redakteur: Olaf Spörkel* / Gerd Kielburger

Mikroskopielösungen wie das Mirax Scan eröffnen der medizinischen Diagnostik und Forschung neue Dimensionen.
Mikroskopielösungen wie das Mirax Scan eröffnen der medizinischen Diagnostik und Forschung neue Dimensionen.

Durch die immer besser und komplexer werdende digitale Mikroskopie hat die Bildbearbeitung enorm an Bedeutung und Funktionsumfang gewonnen.

Bilderfassung, Bearbeitung, Dokumentation und Archivierung von Mikroskopbilddaten sind die zentralen Aufgaben einer Bildverarbeitungs-Software. Durch die immer besser und komplexer werdende digitale Mikroskopie hat die Bildbearbeitung enorm an Bedeutung und Funktionsumfang gewonnen. Mit der Entwicklung neuer Mikroskopie- Anwendungen und Systemlösungen wachsen auch die Anforderungen an die Software-Werkzeuge.

In Wissenschaft und Industrie nimmt die digitale Mikroskopie eine bedeutende Schlüsselposition ein. So sollen z.B. neue Mechanismen und Prozesse im zeitlichen Ablauf in lebenden Zellen erforscht, dreidimensionale Strukturen von Biomolekülen untersucht oder die Oberflächenbeschaffenheit bestimmter Materialien im Routinebetrieb kontrolliert werden.

Eine entscheidende Voraussetzung für effektives Arbeiten am Mikroskop bildet die Software. In Abhängigkeit von Versuchsaufbau und Arbeitsablauf stellen sich spezifische Anforderungen an die Bildbearbeitungsprogramme, um entweder die Arbeit am Mikroskop selbst entscheidend zu erleichtern oder um bestimmte Aufnahmen, wie z.B. in der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie im Bereich der biologischen und medizinischen Forschung, überhaupt erst zu ermöglichen. Viele Softwarelösungen wie z.B. AxioVision von Carl Zeiss, analySIS von Olympus oder der StereoExplorer von Leica sind modular aufgebaut, so dass je nach Anwendungsbedarf die einfach zu bedienenden Software-Pakete individuell zusammengestellt werden können.

Bildbearbeitung

Zur Optimierung der Bildqualität verfügen die meisten Softwareprogramme über Standardwerkzeuge, mit denen u.a. der Kontrast zwischen den einzelnen Objekten verstärkt, die Farbintensität erhöht, Beleuchtungseinflüsse korrigiert oder Kanten und Kurven mit entsprechenden Filtern geglättet werden können. Mehrere Einzelbilder lassen sich zu einem Gesamtbild zusammenstellen oder übereinander legen, was häufig in der Fluoreszenzmikroskopie für biomedizinische Fragestellungen angewendet wird.

Um die Tiefenschärfe zu erhöhen, wird Software angeboten, die aus Einzelbildern in mehreren Ebenen hochaufgelöste Details speichert und daraus rechnerisch ein Gesamtbild erstellt. Es resultieren scharfe Aufnahmen z.T. über die gesamte Dicke eines Objektes. Für die mikroskopische Analyse dynamischer Prozesse oder für Zeitreihenuntersuchungen wie z.B. in der Signaltransduktion werden Softwaremodule angeboten, die automatisch Bilderserien (Time Lapse Imaging) aufnehmen und entsprechend archivieren. Je nach Einstellung und Dauer des Gesamtprozesses können mehrere Aufnahmen pro Sekunde oder wenige Bilder pro Stunde gemacht werden.

Bildmessung

Ebenfalls zu den Standardwerkzeugen gehören die Messfunktionen. Die Software erlaubt die Berechnung von Strecken, Winkeln oder Flächen. Viele Softwarelösungen sind auf ein spezielles Mikroskopsystem abgestimmt, so dass z.B. motorisierte Mikroskope über die Software direkt angesteuert werden können.

Dieser Bereich hat besondere Bedeutung in der automatisierten Bildbearbeitung. Wenn eine große Anzahl an Bildern im Routinebetrieb analysiert oder immer die gleichen Parameter ausgemessen werden sollen, können die Aufnahmevorgänge und die entsprechenden Messfunktionen mit Hilfe der Software automatisiert werden. Parameter wie gewählte Filter oder Objektive werden abgespeichert, so dass reproduzierbare Ergebnisse und vergleichbare Aufnahmen generiert werden können, da immer die gleichen „Rahmenbedingungen“ gewählt werden.

Dokumentation

Die digitale Bildbearbeitung produziert eine enorme Datenflut. Aufnahmen, die in der Vergangenheit noch in Ordnern oder als Dias aufbewahrt werden mussten, können jetzt als Dateien in Datenbanken strukturiert abgelegt werden. Dadurch ist ein schneller Zugriff auf die Daten möglich, die dann auch direkt weiterbearbeitet werden können. Die Bilder lassen sich mit Dokumenten, Texten und weiteren Informationen direkt verknüpfen. Beschriftungen der Aufnahmen und Skalierungen sind in den entsprechenden Bildbearbeitungsprogrammen problemlos möglich.

Ist die Software mit dem Mikroskop verbunden, können zusätzlich die Aufnahmebedingungen in Form eines Protokolls automatisch mit abgespeichert werden, so dass auch nach längerer Zeit die digitalisierten Bilder noch mit später gemachten Aufnahmen verglichen und interpretiert werden können.

Dreidimensionale Darstellung

Mit der Entwicklung neuer Technologien und Applikationen besonders im Life Science Bereich und der biomedizinischen Forschung lassen sich immer detailliertere Informationen aus den zu untersuchenden Proben gewinnen. Hier ist die digitale Bildverarbeitung besonders gefordert. Trotz zunehmender Komplexität müssen die Systeme leicht bedienbar sein, die Ergebnisse müssen auch noch bei großer Datenmenge schnell aufrufbar und bearbeitbar sein.

Die konfokale Fluoreszenzmikroskopie ist eine Methode, mit der spezifische Strukturen in dreidimensionalen biologischen Proben mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen visualisiert werden können. Die Software ist in diesem Verfahren von entscheidender Bedeutung, da sie überhaupt erst die Generierung hochauflösender dreidimensionaler Strukturen ermöglicht. Konfokal - frei übersetzt „mit Fokus betrachtet“ - bedeutet hierbei, dass nur noch die optisch scharfe Fokusebene betrachtet wird.

Alle unscharfen Bildinformationen aus anderen Fokusebenen werden eliminiert. Das Objekt wird schichtweise aufgenommen und die stets scharfen Bilder als dreidimensionaler Bilderstapel im Datenspeicher des Computers abgelegt. Das Ergebnis ist ein extrem tiefenscharfes Bild, das sich im Computerdrehen, von allen Seiten betrachten und vermessen lässt (siehe Kasten).

Virtuelle Mikroskopie

Im Gegensatz zu den bisherigen Methoden der digitalen Mikroskopie ermöglicht die neue Technologie der so genannten virtuellen Mikroskopie die Erstellung eines virtuellen Bildes von einem kompletten Objektträger und die Bereitstellung dieses Bilds mit diagnostischer Auflösung im Internet, so dass es überall in der Welt über das Web abgerufen werden kann.

Bilddetails können markiert, beschriftet oder mit Audioaufnahmen versehen werden. So können die Vorzüge der Online-Kommunikation optimal genutzt werden. Experten, die nicht vor Ort sind, können z.B. Detailausschnitte eines Gewebeschnittes für die Bestätigung eines Befundes auswählen, vergrößern oder verkleinern. Einmal aufgenommene Präparate können in der Ausbildung verwendet und beliebig oft genutzt werden. Mit dieser Komplettlösung steht eine neue und einfach anzuwendende Systemlösung zur Verfügung, die besonders in der Pathologie von enormer Bedeutung ist.

Konfokalmikrosiopie

Mit ihrer neuen 4Pi-Technologie bietet Leica Microsystems ein Fluoreszenz-Mikroskopsystem für weiterführende Forschungen an der lebenden Zelle. Hierzu wird das Fluoreszenzlicht von beidenSeiten des Objektivs gesammelt und auf ein und denselben Punkt interferiert, wodurch der Effekt der Fokusverstärkung entsteht. Wendet man dieses Verfahren nun gleichzeitig sowohl bei der Beleuchtung desselben Punkts als auch beim Sammeln des Lichts vom selben Punkt an, so erhält man den schärfsten Fokus, den die Beugung des Lichts noch zulässt. Damit stößt ein Lichtmikroskop erstmals in den Auflösungsbereich von unter 100 Nanometern vor, Auflösungen bis zu 70 Nanometern sind möglich.

Diagnostische Auflösung

-Mit dem neuen .slide Mikroskopiesystem von Soft Imaging System und Olympus wird der komplette Objektträger inklusive der mikroskopischen Präparate in der gewählten Vergrößerung gescannt. Es entsteht eine virtuelle Aufnahme (Virtual Slide), die in hoher Bildqualität auf dem Monitor dargestellt und in einer webbasierten Datenbank gespeichert werden kann. Im Mittelpunkt steht die Software. Sie kontrolliert den Aufnahmevorgang, ermöglicht unterschiedliche Bildbearbeitungsvorgänge und sorgt für die Visualisierung der Bilder und ihre Verteilung an die webbasierten Bildgalerien.- Das Mirax Scan System von Carl Zeiss und IBM HealthCare Solutions wandelt Objektträger mit Präparaten in virtuelle Bilder um, die gesichert, archiviert und über eine integrierte Kommunikationsanwendung verteilt werden können. Das bedienerlose Scannen trägt zur Ressourcen-Einsparung bei. Die Komplettlösung ist bei den steigenden Anforderungen im Workflow Management von Kliniken, der Ausbildung von Medizinern und der Pharmaforschung für den Einsatz in diesen Bereichen optimal geeignet. Das System ist eine hilfreiche Ergänzung zu anderen Neuerungen wie der elektronischen Patientenakte.

*Dr. O. Spörkel, Labsciences Communication,85567 Grafing

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