2017年4月27日

科學影像的處理與分析①─從生命科學觀察開始

作者/李頂華,中央研究院植物暨微生物學研究所博士後研究員,主要研究為結合免疫螢光染色與超高解析度顯微影像技術來解開減數分裂的分子機制、王中茹,中央研究院植物暨微生物學研究所助理研究員,從事植物減數分裂的研究,利用玉米的生殖細胞為研究材料,致力於增進玉米遺傳育種的基礎新知。

影像技術在科學研究上扮演了非常重要的角色,比如DNA結晶構造影像。華生(James Dewey Watson)與克里克(Francis Harry Compton Crick)對DNA的X射線晶體繞射圖像研究,提出DNA雙螺旋結構模型,從而開啟了分子生物學及遺傳學的另一章。隨著科技的進步與發展,影像技術已經成了生命科學研究中不可缺少的一部分。在生命科學研究領域中影像除了一般常見的光學影像外,還包括被廣泛應用的顯微鏡影像,例如一般穿透式光學顯微鏡以及螢光顯微鏡影像等。過去2、30年間,影像也從傳統的二維平面影像,演進為三維(3D)的立體影像,和活體曠時(縮時)攝影,甚至是2014年諾貝爾化學獎所表彰的超解析度螢光顯微鏡影像。隨著影像擷取技術的日趨進步,生命科學的影像檔案也日漸龐大以及帶有更多的資訊。若依靠人眼判讀以及人力計算,分析這些資訊將消耗很多勞力與精神,而且還會有結果準確度與再現性的問題。因此,生物影像資訊需要影像分析軟體的處理以及分析,以便得到比人力更精準、敏感的資訊。

一般來說,顯微鏡影像擷取裝置的供應廠商都會配搭一套影像處理及分析軟體。然而,這些內建的影像處理軟體所提供的功能可能比較少,只能做一些簡單的分析。通常生命科學研究的影像需要比較特殊或是較複雜的分析功能,為了解決這些影像的分析需求而發展出許多影像分析軟體,一般常見的影像分析軟體包括ImageJ、Fiji、Imaris及Volocity等。

影像處理與分析
影像處理主要是利用影像處理軟體將數位影像的顏色、明暗度、焦距等各種影像畫面做調整。一些基礎的影像處理中比較常見的為減少影像背景雜訊、增強對比度及影像的銳化。這些前置的影像處理是為了要強化影像所提供給人類的資訊,前處理後的影像,可供軟體進行分割(segmentation)處理,讓使用者可以系統性針對感興趣的物體進行分析。影像分析簡單來說就是從影像中取得資訊,以定量的結果來回答問題。這些問題包括:物體的數量、物體之間的關係、物體的螢光強度等。科學研究領域重視把數據量化,把影像資料轉換成數值資料後,以便能客觀的比較這些數據。而且,只有把數據量化才能用統計方式來檢定此數據是否具有顯著性的差異。最後,再根據數據去判斷資料所代表之意義,以回答科學問題。

在眾多軟體之中,ImageJ是一套由美國國家衛生院(NIH)所發展出的一套跨平台軟體,不僅免費,而且開放程式碼,供程式設計師或使用者替這套軟體進行改進及補強,且能夠顯示、編輯、分析、處理、保存影像,並支持TIFF、PNG、GIF、JPEG、BMP、DICOM與FITS等多種格式,包括常用的顯微鏡檔案,比如LSM、CZI、LIF、OIF、DV等。內附的程式編輯器可依照個人需求編譯程式碼,當然也可以自己利用Java開發外掛模組,並與大家分享您開發的東西。因為它的延伸性使ImageJ有廣大的使用者群,甚至有社群平台提供使用者交流及分享經驗。雖然ImageJ的優點相當多,但是使用上更需要具備影像處理的知識,一些使用者認為其操作介面較不友善。比如說:相同的處理,使用者可能會需要多幾個步驟或多按幾個鍵,不過也代表提供了使用者在分析上的自主性和彈性。在本文中,我們以ImageJ為例介紹基本的生物影像分析在生命科學上的應用,並介紹一些在生命科學研究上常用的簡單的影像處理與分析技術。

圖一:左圖植物花粉粒經染色後,在解剖顯微鏡底下拍攝影像。右圖經過ImageJ的分水嶺分割(watershed segmentation)處理後,再用顆粒分析(analyze particle)功能計算花粉粒的數目。軟體會標記每個被計算的花粉粒,可供使用者檢查計算結果。(作者提供)
圖二:植物的根部拍攝後儲存的檔案(圖左)可以用ImageJ的根部分析工具(Root Tools)來計算出長度、直徑等。圖右顯示軟體測量出的各項結果。(作者提供)

影像中的物體量化
影像軟體可以計算影像中的物體數目,從單純的細胞數目到複雜的物體,好比會發螢光的蛋白質訊號數目。這邊以花粉的計算為例子,若一植物花粉無法正常發育以供其授粉用,稱「雄不稔(male sterile)」的植物。進行雄不稔的鑑定,是判斷該植株是否有基因突變,雄不稔產生原因可能是由於花器發育相關之調控基因突變所導致雄蕊退化,造成沒有花粉,或是影響花粉粒的活性(viability)。另一種則為控制減數分裂的基因發生突變所導致。雄不稔可經由觀察花粉活力以及花粉發芽率測定。其中一種花粉活力檢定方法為用亞歷山大染劑(Alexander's stain)把植物花粉粒染色後,在解剖顯微鏡下計算花粉粒的數量。然而,由於花粉數量龐大,而且每個樣品需要計算2次,即有活力及不具活力的花粉數目,人力計算相當耗時。
......【更多內容請閱讀科學月刊第569期】

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