数字病理学：显微相机选择入门

介绍

如今，大多数病理学家都在其实践和研究项目中使用数字系统来交流，存储数据和分析图像。无论是在临床，法医，外科还是病理学的其他分支机构中，专家之间的交流和咨询都因为数字系统的使用而得到极大改善，从而可以更快地为患者做出诊断。

选择合适的成像设备是病理学家在使用数字系统时需要考虑的最重要因素之一。为了产生高质量的病理图像，必须拥有一台数字相机，可以可靠和准确地再现病理学家在其显微镜目镜中看到的图像。出色的色彩，高动态范围和高分辨率是构成高质量病理图像的关键要素。病理学家可以检测黑暗区域的特征（这意味着相机必须具有高灵敏度），相机不会在图像上添加不必要的伪像（噪声低）并且可以轻松连接到计算机（通过USB接口）。

本文将回顾病理学领域中成像的基础知识，以及在选择数字显微镜相机时应考虑的问题。

色彩还原

当选择用于病理学的相机时，准确的色彩还原至关重要。 由于捕获的数字图像包含可能导致患者诊断的数据，因此相机显示的颜色必须与病理学家在其显微镜目镜所看到的颜色完全匹配，这一点很重要。 大多数消费级相机型号会自动对其图像进行后处理，以增加某些颜色的饱和度，以使图像更具视觉吸引力，从而不能准确地捕捉到原始颜色。 选择一个专为科学用途而设计的相机非常重要，它可以产生通过白平衡和伽玛校正的图像。 评估数字病理图像的颜色时，正确校准的计算机监视器也很重要。

上方的示例图片：Lumenera的INFINITY2-2C显微相机拍摄的前列腺癌

你知道吗？Lumenera的INFINITY显微镜研究级相机以其出色的色彩还原能力而闻名。您可以在他们的在线图像库中查看演示图样：www.lumenera.com/resources/sample-image-video/microscopy/application.html

相机灵敏度和噪声

在选择相机时，图像质量是相机灵敏度和噪声水平的结果。相机的灵敏度涉及其量子效率（QE），像素大小和电荷转换效率。更高的效率和像素大小对于提高灵敏度至关重要，但必须与相机的噪音规格一起考虑。影响病理学应用的主要噪声源有两个：读出噪声和暗电流噪声。在保持高灵敏度的同时，这些值应尽可能低。

量子效率（QE）：QE定义为相机将入射光子转换为可用信号电子的能力。这个操作由相机的图像传感器完成，并且取决于光的波长。因此，相机数据表中通常会包含QE曲线，显示相机在一定波长范围内的量子效率，通常是从紫外线边缘开始进入NIR（近红外）。右图显示了从Lumenera的INFINITY3-3UR显微相机数据表中获取的示例QE曲线。像素大小在相机的灵敏度中也起着重要作用。像素越大，相机的传感器对入射光的灵敏度就越高，因为存在较大的表面积来收集入射光。

为了帮助说明量子效率和像素大小对图像的影响，请看下面的图像比较。使用两个具有不同量子效率和像素大小的INFINITY显微相机进行比较。这两个图像都是在相同的环境下，使用相同的光源和照明条件的显微镜下拍摄的。乍看之下，图像在亮度方面似乎并没有太大的不同。但是，为了实现这一点，具有较低QE和较小像素（右图所示）的相机需要4倍的曝光时间。曝光时间的差异说明一台相机比另一台相机更灵敏。

INFINITY3-3URC（左）和INFINITY1-3C（右）之间的比较图像，使用相同的增益和伽玛设置捕获

当如下图所示并排比较每个摄像机的QE曲线时，所需曝光时间的差异会进一步突出显示。

比较两相机之间的量子效率曲线的图：INFINITY3-3URC（实线）INFINITY1-3C（虚线）

如图所示，INFINITY3-3URC的最大QE比INFINITY1-3C的最大值高出近50％，从而使相机更加灵敏。此外，通过增加每个像素的大小，传感器的整体灵敏度也增加了。这是因为入射光在传感器上被分组为较大的区域，这意味着需要较少的光就能击中这些较大的目标。在上一个示例中，INFINITY3-3URC的像素大小为4.54×4.54微米，而INFINITY1-3C上的像素均为3.2×3.2微米。像素尺寸和量子效率通常可以在相机数据表中找到。

曝光时间的差异说明了一台相机比另一台相机更灵敏。拥有高相机灵敏度的一个好处是，它需要较少的光来照亮幻灯片，比如在使用特定的滤光片或由于光源的灯功率限制最大照度的情况下。灵敏度更高的相机的另一个好处是缩短曝光时间直接影响帧率，从而直接影响取景和对焦操作期间屏幕上图像的刷新率。换句话说，在较低的照明条件下，相机将以最大帧率运行。

噪声：通过设计降低相机的噪声水平是产生高质量图像的关键因素。读出噪声确定了相机的最小噪声值，使低于此最小阈值的所有内容均无法使用。这种形式的噪声以电子（e-）度量，与短时间曝光最相关。暗电流噪声是由相机内部的热量引起的与时间和温度相关的噪声值。以每秒电子数（e- / s）表示，这种噪声会随着时间的推移和温度的升高而增加。

对于长时间曝光（例如使用荧光共聚焦显微镜），暗电流噪声将使读取噪声值不那么显著。通过使用示例可以最好地理解图像中的噪点外观。右边是Lumenera的INFINITY1-3C拍摄的一个示例的图像的放大部分。左图中的噪声水平较低，并且右下角的细节清晰可见。右侧的图像添加了模拟噪声，使组织中的形状和图案难以区分。

上图主题：带有正常噪点的图像（左）与带有大量模拟噪点的图像（右）的比较，两者均使用INFINITY1-3C拍摄。

当信噪比尽可能高，高到相机动态范围定义的上限时，可以达到最佳效果。动态范围是像素可以产生的最大电子量与其噪声底之间的比率。 它说明了相机具有在图像的昏暗和明亮区域同时生成可用数据的能力。

为了在相机中实现高灵敏度，本底噪声必须尽可能低，以便传感器可以检测到少量的入射光。另外，具有高QE会将更多的光子转换成电子，从而提供更强的信号。 低噪声和高QE的结合将转化为具有高信噪比的相机，从而提供卓越的图像质量。

分辨率

为了在单个帧中对幻灯片的大部分成像，同时保持标本的清晰度和细节，选择具有足够分辨率的相机非常重要。但是，由于分辨率和灵敏度是相互制约的，因此必须达到平衡。对于相同尺寸的传感器，像素数较高的传感器必然具有较小的像素，从而使其对光的敏感性降低。因此，选择具有足够分辨率但又不过分的相机并维持高灵敏度至关重要。所选分辨率应足够高，以区分应用中可能遇到的最小数量的细节。这将确保不会由于图像的清晰度而丢失任何内容。在以下示例中，INFINITY3-3URC和INFINITY3-6URC之间的像素大小相同，但是INIFINTY3-6URC的传感器大小较大（1英寸对2/3英寸），因此像素数更多。

Lumenera的INFINITY3-3URC和INFINITY3-6URC显微镜相机之间的视野比较。

显微镜物镜的选择也会影响图像分辨率。随着数值孔径（也称为“ NA”）的增加，物镜分辨两个彼此靠近的小样品区域的能力也随之增强。这是因为当试图分辨图像中的小细节时，数值孔径较小的物镜受到衍射限制。较低的NA物镜允许较少的光到达相机传感器，但会增加景深，使观察者一次可以聚焦在较厚的样品上。使用具有较高放大倍率的物镜也将有助于分辨较小的细节，但将大大缩小视野。这就是为什么在保持标本的大视野的同时查看标本的精细细节时，大数值孔径至关重要的原因。

相机的数据接口

相机的一个经常被忽视但同样重要的功能是数据接口-它如何连接到计算环境。在实验室环境中，当在预算范围内努力降低成本并简化设备配置时，选择不需要定制外围设备或接口卡即可与计算机进行通信的相机非常重要。

使用标准接口（例如USB）将有助于将额外支出保持在最低水平，因为计算机已经配备了该技术。通过提供更加用户友好，轻松，即插即用的设置，这也使集成变得容易。如果您希望以更大的比特率模式生成更高分辨率的图像，从而导致更大的数字文件大小，则需要选择一个USB接口，该接口可以轻松快速地传输大量数据，而不会影响图像质量或帧率。考虑到分辨率和位深后，您可能需要考虑哪种USB版本适合您的应用。随着USB 3.1的最新发展，它已成为以高传输速率移动大型数据负载的新标准，其速度比其前身USB2.0快约10倍。

图像分析软件

您将要确保您的相机随附图像分析软件，或与第三方软件产品一起使用。 Lumenera的INFINITY相机免费提供了易于使用的软件，并与Media Cyber​​netics（ImagePro Premier），Molecular Devices（Metamorph），microManager（ImageJ）和National Instruments（LabVIEW）等领先的软件技术合作伙伴集成。

总体拥有成本

购买任何新产品时，价格始终是产品选择的一部分。 对于成像解决方案，应将易于集成，图像分析软件，图像质量，产品支持和保修等方面纳入成像解决方案的总体成本。 病理学家可以通过Lumenera广泛的USB 2.0和USB 3.1 INFINITY相机轻松解决所有这些成像和预算因素，所有这些相机均提供4年保修。

关于Lumenera的INFINITY显微相机

Lumenera已经为病理学家提供了15年以上成像解决方案。请与Lumenera销售代表联系，以讨论您的成像要求并获得帮助为您的病理学应用选择合适的相机。

病理图像样本

使用INFINITY3-3UR拍摄的BPAE固定细胞	使用INFINITY2-5拍摄的微囊性肾上腺癌
使用INFINITY3-3UR拍摄的野百合	使用INFINITY3-6UR拍摄的绵羊的甲状腺

更多示例图像请访问在线图库：www.lumenera.com/resources/sample-image-video/microscopy.html

为什么选择INFINITY？

• 非常容易安装
• 兼容任何带有C-mount安装座的显微镜
• 包括用户友好的直观软件，适用于PC和Mac
• Lumenera网站上的免费软件更新
• 简单的USB接口，无需额外的卡
• 业界领先的4年保修

您是否需要帮助选择最佳的INFINITY相机以满足您的应用和预算要求？请与我们的INFINITY显微相机销售代表联系：sales@znjtech.cn

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