・基础研究・

计算机显微缩时电影系统的组建与应用

俞索静'肖鲁伟'吴承亮'朱胜良1

［摘要］应用计算机数字视频技术与倒置相差显微镜及显微C（）2培养系统，自行设计组建了计算机显微缩时电彫系统。 该系统资金投入低，构建简单，使用方便，能获得高分辨率全屏数字视频图像，并且记录时间长、容量大、成本低，同时能实 现数据资料的快速处理、动态分析。较传统的胶片记录式显微缩时电影及磁带记录式缩时视频录像机具有更多的优点，可 用于显微观察对象的连续动态跟踪记录研究。

［关键词］计算机；显微缩时电彫；组建；应用

［中图分类号］R31&17 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-0205（2007）03-0015-02

Establishment and Application of Computerized Time—lapse Miero&nematography System

YU Suojing XIAO Luivei WU Chengliang ZHU Shengliang

Institute of Orthopedics and Traumatology in Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou 数五字多换替

Abstract Objective： We design and establish Computerized Time— lapse Microcinematography System by ourselves by applying computer digital video image processing technology, inverted phase contrast microscope and micro—C()2 culturing system, which has low investment and simple structure, easy for use, and can get full — screen digital visual image with high resolution, moreover, it has long recording time, large volume, low cost; meanwhile, it can realize quick— dealing and dynamic analysis on data. Compared with traditional film — recording time- lapse microcinematography and tape — recording (ime—lapse video corder, it has more good points, it can be used in continual dynamic tracing, record and research to the object observed under microscope・

Key words：Computer;Time-lapse Microcinematography;Establishment; Application

近年来，随着计算机技术的迅猛发展，使大容量、高分辨率 数字视频采集和处理得以实现。为此，我们在Leica倒置相差 显微镜及配套的显微C（L培养系统的基础上，结合现代计算机 视频技术，自行设计组建了计算机显微缩时电影系统〈Computerized Time— Lapse Microcinematography System） o 现将该系 统的组成及其应用介绍如下：

1组成

1.1倒置相差显微镜系统

采用德国 Leica DMIRB Inverted Research Microscopy»带 10倍、20倍、40倍相差物镜与CCD Camera接口。

1.2显微CO?培养系统

采用与Leica DMIRB倒置相差显微镜配套的Incubator L with heatable microscope stage。温度控制单元采用 Tcmpcon-trol 37 — 2 digital,有两路控制输出，一路控制热台，一路控制循 环气体温度。CO2控制单元采用CTI~Controller 3700,控制范 围0〜10%,可设置5级空气循环强度与3级加热速度。

1.3培养液更换装置

分进液通道与排液通道，采用微泵及三菱可编程控制器，对培养 液进行定时定量排放与补给。

1.4视频捕获处理单元

采用日本JVC TK-C 1381彩色CCD摄像头，视频捕获卡 采用德国Pinnacle公司的DC30和DC2000,分别进行数字视频

采集、MP2文件生成及非线性编辑处理。

1.5计算机系

统采用两台计算机，…台用于缩时视频采集，一台用于视频 编辑处理。计算机I配置：CPU Pentium III 600MHz,内存 512M,内置高速SCSI卡与SCSI硬盘及DC30视频捕获卡；计 算机II配置：CPU Pentium IV 1. 7GHz,内存512M,内置高速 SCSI卡与SCSI硬盘及DC2000视频非线性编程卡。

1.6其他设备

包括JVC HR-S76OOAM HVHS录像机，DVD播放机， PHILIPS 数字式 100Hz 彩色电视机 ‘PLEXTOR PX — 7O8A DVD士R刻录机，SUNSP（） SP-4001时间字符信号发生器，山 特 ON-LINE UPS 等。

2原理（见图1）

2.1显微CO?培养系统

与Leica DMIRB倒置相差显微镜配套的显微CQ培养箱， 为活体标本的镜下培养提供合适的条件。由温度和CO?浓度 控制器调节箱内温度（37.5V 土 0.5）和CL浓度（5%）,培养液 通过自动换液装置，按设定程序进行排放和补充。

2.2倒置相差显微镜系统

倒置相差显微镜镜下活体标本显微图像，经侧方接口传送 到彩色CCD摄像头，摄像头的视频信号经时间字符信号发生器 叠加时间字符标记后送至计算机I的DC30视频捕获卡。

2.3视频采集系统

'浙江中医药大学骨伤研究所（杭州.数五字多换替）

图】计算机显微缩时电影系统原理示意图

视频信号经DC30卡，由计算机【进行采集，根据研究对象 与目的不同，可设置为高速(time magnifying glass) %常速(the speed of projection)、慢速(time— lapse)« 以及静态图像(still im-age)方式。显微缩时记录采用慢速方式，捕获速率通常设置在 毎秒2〜8帧。捕获到的序列图像经计算机处理，输出为25帧/ 秒，分辨率为768 X 576 (Pixel)的AVI视频文件，并可通过 DC30卡上的Video或S- Video端口，将视频信号输出到电视 机上观察或转录到SVHS录像带上。2.4 视频数据的编辑处 理与保存

由于计算机I采集的AVI格式视频文件容罐较大•无法大 量保存，因此•通过计算机I上DC30卡的S-Video输出端子， 将视频信号送到计算机11上DC2000卡，经DC2000卡采集后 转换为MP2格式，再用Premiere软件进行编辑处理，最后以 MP2格式刻录到CD-R或DVD土 R光盘上保存，也可制成 DVD格式在影碟机上播放，或通过高带录像机转录到HVSH 录像带上保存。

3应用

显微缩时电影系统，可对显微镜下培养的活体标本(如细 胞、微生物等)进行长期连续的动态跟踪观察，能将微观世界中 变化缓慢的难以察觉的生物现象，以快速连续动态的方式生动 地一目了然地展现出来，有助于我们进行深入地研究和探索。 二十世纪前半叶,人们应用显微缩时电彫技术，获得了大量微观 世界生物活动的科学影片，同时也取得了许多新的科学发现，如 细胞运动的接触抑制现象、多核细胞的形成机理等。该技术其 本身具有科学研究价值外，还被大量地应用于医学生物学的教 学过程。

从2001年起，我们应用自行设计组建的计算机显微缩时电 影系统，对多种培养细胞的体外生物学行为进行了研究。其中 包括成骨细胞体外生长、增殖及矿化结节的形成过程，体外培养 下破骨细胞的形成及其骨吸收过程，神经细胞在体外培养下突 触的形成过程等。应用该系统我们还建立了活体微循环观察模 型，以及用于抗血栓、活血化瘀药物研究的活体微循环血栓模 型，并对树状突细胞(DC)在体外杀伤肿瘤细胞的过程进行了 动态跟踪观察，同时还记录到了细胞的“逆分裂”现象⑷°

4讨论

显微缩时电影技术最先始于1909年⑵早期的显微电影装 置，采用庞大的电影照相设备，将其固定在显微镜上进行拍摄。 其后16 mm胶片电影摄影机在显微缩时电影技术中被广泛采 用，并经历了几十年之久，迄今甚至在一些实验室仍可见到，由 于整个记录过程通过电影胶片逐张拍摄，成像过程复杂，记录时 间有限，拍摄成本较髙，尤其是彩色胶片。另外，对影片资料的 编辑处理，搜索定位，分析研究，存储调用都存在许多困难和麻 烦。

1969年美国贝尔实验室发明了 CCD(Charge Coupled De-vice)电荷藕合器件，此后电子影像技术不断取得新的进展。上 世纪80年代,传统的照相设备被电子摄像机取代，在显微缩时 电影中，原来采用的16 mm胶片摄影机渐渐被一种称为缩时视 频录像机(Time Lapse Video Recorder)的磁记录设备所替换。 这种录像机采用录像带(Videotape)进行记录，不仅能捕获单帧 图像，而且还可以进行缩时录像，并可选择不同的捕获频率，捕 获质量可以根据VMS系统的技术参数设定。其优点是能够进 行即时录像观察，记录容蜃大、成本低■缺点是图像序列的选择 与搜索定位较慢，且费时费力。另外，录像带易受磁场影响而使 记录信息丢失，保存时需避开磁性物体，磁带经常反复使用还会 造成磨损，使图像质量下降，因此，需制作多个拷贝进行备份⑷。

从上世纪90年代起，显微图像记录能够采用数码照相的方 式，并以数字文件形式进行保存。近年来，随着数字影像技术的 发展与计算机技术的不断进步，显微缩时电影技术与计算机数 字视频技术相结合，形成了计算机显微缩时电影技术。目前，实 验室使用的显微缩时电影记录设备主要包括缩时视频录像机与 计算机缩时视频记录装置。

本文介绍的计算机显微缩时电影系统，是我们根据显微培 养系统的原理与计算机视频采集处理技术自行设计组建的.实 际应用表明，该系统工作稳定，性能可靠•运作成本低，视频数据 处理和存储快速方便•采集和回放速率可调，图像分辨率可达 768X576(Pixel)o对实验记录资料可采用动态浏览，重点提取， 目标追踪，逐帧分析等方法进行研究，并可根据观察对象运动变 化的时间、轨迹、速度、趋向•以及数量、面积、范围等参数与活体 标记等方法进行定性、定量分析。因此，该系统能够取代传统的 胶片记录式显微缩时电影装置和磁带记录式缩时视频录像装 置，用于连续跟踪记录显微状态下观察对象的动态变化过程。 我们相信，随着显微电影技术在科学研究中应用的不断普及，将 在医学科学、生物科学導领域对微观世界的研究发挥重要的作 用。

参考文献

L1J俞索静，肖鲁伟，吴承亮.细胞的“逆分裂"现象.浙江中医学院学 报，2004 28(5)： 1-3.

[2] Roux P, Munter St Frischknecht F, Herbomel P, Shorte SL. Focusing light on infection in four dimensions. Cell Microbiol. 2004 Apr；6(4) ：333 —43・ Review.

[3〕 Miroslav ? ervinka, Emil Rudolf. Time—I^pse Microscopy of Living Cells： From Microcincmatography to Sequential Image Dig* italization. Science, Technology and Education of Microscopy: an Overview. Formatex, 2006. 795 — 797.

(收稿日期：2006 — 09 — 16〉