WinCELL от Regent Instruments — специализированная система анализа изображений для исследования анатомической структуры древесины и морфометрического анализа клеток в пределах годичных колец. Программное обеспечение позволяет автоматически и интерактивно измерять параметры трахеид, сосудов и паренхимы, оценивать размеры люменов и клеточных стенок, пространственное распределение клеток и изменение их характеристик в пределах годичного кольца.
Анатомический анализ клеток древесины может использоваться как альтернативный или дополнительный подход к исследованию плотности древесины. Размер, распределение и соотношение клеточных элементов и стенок связаны со структурой и свойствами древесины и могут применяться при изучении ее качества и реакции растений на климатические условия.
В отличие от универсального программного обеспечения для анализа изображений, WinCELL разработан специально для исследования древесины и учитывает особенности формирования годичных колец и их клеточной структуры. Система подходит для анализа различных пород: сосудов лиственных пород и радиальных рядов трахеид хвойных пород.
Анализ клеток древесины с помощью WinCELL™
Шаг 1. Получение и анализ изображений клеток древесины
Традиционный метод подготовки образцов для анатомического анализа древесины предполагает получение тонких срезов с помощью микротома и их исследование под микроскопом. Изображения могут регистрироваться цифровой камерой, установленной на микроскопе.
Для повышения контраста между люменом и клеточной стенкой при съемке в проходящем свете может применяться окрашивание образцов. Такой подход позволяет получать изображения с высоким разрешением, однако поле зрения микроскопа может быть недостаточным для визуализации целого годичного кольца. В этом случае WinCELL позволяет анализировать отдельные изображения частей кольца с последующим объединением результатов.
Для исследования более крупных клеточных структур, например, сосудов ранней древесины лиственных пород, могут использоваться изображения большей площади, полученные с помощью сканера или цифровой камеры с макрообъективом. WinCELL совместим с TWAIN и позволяет получать изображения непосредственно с совместимых камер и сканеров. В процессе работы можно задавать параметры изображения, включая размер, цвет и фильтрацию.
Шаг 2. Выбор области анализа
WinCELL может анализировать как изображение целиком, так и отдельные области произвольной формы. Количество областей анализа практически не ограничено, при этом они могут перекрываться или располагаться независимо друг от друга.
В качестве области исследования можно выбрать:
- несколько отдельных клеток;
- сосуды одного годичного кольца;
- целое годичное кольцо;
- отдельный участок древесины;
- практически все изображение, исключив кору, повреждения и другие нежелательные участки.
Положение областей можно сохранять для последующего воспроизведения на других изображениях. При перемещении или изменении размера области результаты анализа автоматически пересчитываются.
Анализ клеток по годичным кольцам
Одна из ключевых особенностей WinCELL — возможность проводить морфометрический анализ клеток отдельно для каждого годичного кольца. На одном изображении может находиться одно или несколько колец.
Анализ выполняется полуавтоматически. Сначала задаются границы годичных колец и соответствующий год, после чего WinCELL автоматически создает отдельную область анализа для каждого кольца.
Для нее рассчитываются стандартные морфометрические характеристики клеток — площадь, длина, ширина, положение, периметр, коэффициент формы и другие параметры, — а также характеристики самого годичного кольца, включая его ширину и площадь.
Границы колец также могут предварительно определяться в WinDENDRO, после чего изображение передается в WinCELL для дальнейшего клеточного анализа. Это позволяет объединить дендрохронологические измерения с исследованием анатомии древесины.
Измеряемые параметры
WinCELL предоставляет широкий набор параметров для отдельных клеток, выбранных областей, изображения в целом и годичных колец.
Система позволяет определять:
- ширину и площадь годичного кольца;
- количество клеток;
- плотность клеток;
- общую площадь, занимаемую клетками и клеточными стенками;
- площадь люмена;
- длину и ширину клеток;
- периметр;
- коэффициент формы;
- положение клетки в изображении и относительно начала годичного кольца;
- пространственное распределение анатомических параметров в пределах годичного кольца;
- цветовые характеристики люменов и клеточных стенок.
Пользователь может выбирать, какие именно параметры необходимо рассчитывать и сохранять.
Анализ площади люмена и клеточных стенок
WinCELL автоматически измеряет площадь люмена и клеточных стенок. Расчет основан на фактическом количестве пикселей соответствующей области, а не на приближенной оценке площади по диаметру клетки.
Люмены могут классифицироваться по площади как клетки или сосуды. Дополнительно предусмотрена ручная классификация паренхимы. Разные типы клеток анализируются раздельно, при этом программа предоставляет как суммарные, так и индивидуальные данные.
Классификацию отдельных клеток можно интерактивно изменять в процессе анализа.
Площадь люмена и стенок определяется:
- в абсолютных единицах измерения;
- в процентах от площади исследуемой области;
- для отдельных клеток;
- для области анализа в целом.
WinCELL также позволяет анализировать площадь люмена и клеточной стенки в зависимости от цвета — как для всей области исследования, так и для отдельных клеток.
Измерение длины и ширины трахеид
Длина и ширина трахеид могут рассчитываться как в виде средних значений для всей исследуемой области, так и индивидуально для каждой клетки.
В WinCELL предусмотрено четыре метода определения длины и ширины:
- Maximum (Horizontal & Vertical) — размеры определяются по максимальным горизонтальным и вертикальным расстояниям между соответствующими точками границы клетки.
- Bounding Box (Horizontal & Vertical) — длина и ширина определяются по размерам ограничивающего прямоугольника, полностью охватывающего клетку.
- Center (Horizontal & Vertical) — размеры определяются по горизонтальному и вертикальному сечению клетки в области ее центра тяжести.
- Any Direction — длина соответствует максимальному расстоянию между двумя точками границы клетки, а ширина измеряется перпендикулярно этому направлению в области максимальной ширины.
Положение и количество клеток
WinCELL определяет положение центра клетки как непосредственно на изображении, так и относительно начала годичного кольца. Это позволяет исследовать изменение структурных параметров клеток в зависимости от их положения внутри кольца.
Программа также автоматически подсчитывает количество трахеид, сосудов и паренхимных клеток в выбранной области или вдоль заданной траектории. Таким образом, WinCELL подходит не только для морфометрии отдельных клеток, но и для количественного исследования их распределения в структуре годичного кольца.
Автоматические и интерактивные измерения
Морфологические характеристики могут определяться автоматически для всех клеток выбранной области либо интерактивно для отдельных клеток. В автоматическом режиме оператор выбирает область изображения, после чего расположенные в ней клетки анализируются программой.
Интерактивный режим позволяет задавать линии измерения непосредственно на изображении. Он особенно полезен при исследовании радиальных рядов клеток с известным положением относительно границ годичного кольца и позволяет получать данные, аналогичные традиционным трахеидограммам.
WinCELL предусматривает четыре варианта интерактивных измерений:
- ручное измерение длины произвольного объекта, например клетки или волокна;
- ручное измерение длины и ширины объекта с возможностью последующей оценки его площади;
- два полуавтоматических режима измерения длины клетки и толщины двух прилегающих клеточных стенок с противоположных сторон люмена.
В полуавтоматических режимах измерения могут выполняться вдоль заданного направления или в радиальном направлении. Эти режимы также позволяют определять длину радиального ряда клеток между границами годичного кольца и тем самым получать ширину кольца.
Фильтрация неполных клеток и посторонних объектов
WinCELL использует концепцию области анализа, позволяющую исключать неполные клетки из расчета средних морфометрических характеристик. Клетки, соприкасающиеся с границей изображения или расположенные за пределами выбранной области, не учитываются при расчете средних значений площади, длины и ширины.
Дефекты изображения и участки, которые не требуется анализировать, можно исключить с помощью специальных областей исключения или инструментов редактирования изображения. Например, при анализе годичных колец таким способом можно исключать трещины в высушенной древесине или поврежденные участки керна.
Посторонние объекты и артефакты могут автоматически отфильтровываться по таким признакам, как:
- площадь;
- длина;
- ширина;
- форма;
- отношение длины к ширине;
- цвет.
Редактирование изображений
Инструменты редактирования WinCELL позволяют компенсировать дефекты образца или недостаточный контраст изображения. Для коррекции доступны инструменты рисования и выделения областей. Пользователь может применять цвета, уже присутствующие на изображении, для устранения участков, способных мешать корректному распознаванию клеточных структур. При этом нежелательные области можно исключать из анализа без необходимости учитывать их при расчете морфометрических параметров.
Группировка клеток
Отдельные сегменты изображения могут быть объединены и проанализированы как один объект. Например, если один сосуд при автоматическом распознавании разделен на несколько частей, их можно объединить в единую группу. Результаты сохраняются как для отдельных клеток, так и для их групп. В файлы данных также записываются количество групп и среднее количество клеток в группе.
Пакетная обработка изображений
WinCELL поддерживает пакетный анализ серии изображений без участия оператора. Эта функция применяется для измерений, которые могут быть выполнены полностью автоматически и не требуют интерактивного вмешательства. Параметры анализа можно сохранять в конфигурационных файлах и повторно использовать при обработке других изображений, что особенно удобно при работе с большими сериями однотипных образцов.
Калибровка изображений
Для количественного анализа изображений, полученных с помощью цифровой камеры, необходимо выполнить или загрузить пространственную калибровку. WinCELL поддерживает различные типы калибровочных мишеней, используемых производителями микроскопического оборудования.
Работа с цветными и монохромными изображениями
В настоящее время WinCELL предлагается в версии WinCELL Pro. Программа может анализировать как изображения в оттенках серого, так и цветные изображения. Цветовая информация может использоваться для более точной классификации пикселей как принадлежащих люмену или клеточной стенке, а также для количественного анализа площади в зависимости от цвета.
Для цветового анализа WinCELL Pro поддерживает 24- и 48-битные цветные изображения. Если анализ цвета не требуется, производитель рекомендует использовать изображения с 256 градациями серого — 8 бит на пиксель. Поддерживаются изображения в форматах: TIFF без сжатия, PNG, BMP, JPEG. При этом JPEG производитель не рекомендует в качестве оптимального формата для анализа.
Сохранение и экспорт результатов
Изображения, полученные непосредственно через WinCELL, можно сохранять в стандартных форматах TIFF и BMP и впоследствии открывать в других программах. Если изображение сохраняется вместе с результатами анализа, при повторном открытии в WinCELL анализ автоматически восстанавливается. Это позволяет позднее проверить, скорректировать или дополнить ранее выполненные измерения.
Пользователь может выбирать состав сохраняемых данных и формат их представления. Результаты могут сохраняться в собственном формате WinCELL или формате WinDENDRO. Численные данные также экспортируются в текстовые файлы, которые можно открывать и обрабатывать в табличных программах, например Microsoft Excel.
Анализ данных с помощью XLCell
Для обработки результатов WinCELL используется утилита XLCell, работающая в Microsoft Excel. Она предназначена для классификации, визуализации и дальнейшей обработки морфометрических данных.
XLCell позволяет распределять результаты по отдельным листам в зависимости от типа данных:
- глобальные параметры;
- данные отдельных клеток;
- результаты интерактивных измерений;
- данные годичных колец.
Если одно годичное кольцо из-за его размера или требуемого разрешения невозможно зарегистрировать на одном изображении, его можно разделить на несколько изображений. XLCell позволяет объединить результаты таких измерений так, как если бы все кольцо было получено на одном изображении. Также программа позволяет графически отображать различные морфометрические параметры для визуализации и проверки результатов.
Основные возможности WinCELL
- анатомический и морфометрический анализ клеток древесины;
- анализ клеточной структуры по отдельным годичным кольцам;
- измерение площади люмена и клеточных стенок;
- измерение длины и ширины трахеид;
- определение периметра и коэффициента формы;
- определение положения клеток внутри годичного кольца;
- автоматический подсчет трахеид, сосудов и паренхимы;
- анализ сосудов лиственных пород и радиальных рядов трахеид хвойных пород;
- автоматические, ручные и полуавтоматические режимы измерения;
- анализ изображения целиком или областей произвольной формы;
- анализ нескольких годичных колец на одном изображении;
- фильтрация посторонних объектов и артефактов;
- редактирование изображений;
- группировка отдельных сегментов в единый клеточный объект;
- пакетная обработка изображений;
- анализ цветных изображений и изображений в оттенках серого;
- работа с изображениями микроскопов, цифровых камер и совместимых сканеров;
- экспорт и последующая обработка результатов;
- совместная работа с WinDENDRO и XLCell.
