学科发展研究(2012-2013)分述
体视学
2014年04月01日

  一、引言

  体视学(Stereology)形成于20世纪60年代,是一门研究三维结构(高维结构)的科学,其重点是结构表征的方法学研究。本报告选择体视学的定义研究、生物医学体视学、材料体视学、图像分析、CT理论与应用等专题,重点反映近5年来我国体视学学科的发展现状、与国外先进水平的差距,以及体视学学科的发展趋势。

  二、本学科近年来研究进展

  (一)对体视学“stereology”的再认识

  自“stereology”一词(中文统一译作“体视学”)于1961年问世以来,在国内外不同场合不同应用领域,其定义常常不一,直接影响了人们对体视学学科的准确理解和了解。中国体视学学会组织了跨材料、生物医学、图像分析、计算机断层成像(CT)和仿真与虚拟现实等多领域逾百名专家就此进行了国内外首次相关学术大讨论,并对如下问题获得了共识:体视学一词(英文为 stereology,stereo- + -logy)的核心含义为“研究三维结构的科学”;由投影数据重建三维CT图像的学科分支属于体视学学科范畴;体视学研究的重点是三维结构表征的方法学研究。

  (二)生物医学体视学研究进展

  1.不断建立并完善生物医学体视学方法。例如,建立了定量研究大脑皮质、海马、胼胝体等结构及其内有髓神经纤维的无偏体视学方法、虚拟组织切片的体视学模型、可用于定量检测转录因子活性的免疫化学染色的图像分析方法、急性放射病外周血细胞计数与照射剂量和照后时间的定量关系的分析模型和程序,阐明了光衍射现象、滤光片、不同染色方法及组织切片厚度对细胞核DNA含量检测的影响规律等。

  2.不断加强体视学方法在实验病理学研究和临床病理诊断中的应用。例如:体视框在生物医学研究中的应用;体视学方法在放射病理学研究、电磁辐射损伤研究、正常组织结构或各种疾病动物模型的研究中;在肿瘤病理、红外热像定量分析、皮肤镜图像分析、骨形态计量等临床病理的诊断中;以及在糖尿病分子发病机理研究、肝病发病机制及临床对策研究中的应用等等。

  (三)材料体视学研究进展

  体视学在材料学科由定性走向定量并形成材料科学与工程学科的历史过程中功不可没,被称为“20世纪中定量化革命为金属学与后继的材料科学带来深刻变化的绝好例子”。近年来的进展包括:

  1.EBSD(电子背散射衍射)技术将材料组织信息的内涵从组织的几何形貌拓展到包含相与组织组成物的形状、尺寸、含量、分布、取向、取向差、取向关系、晶体缺陷密度等广义的组织信息,为体视学学科增加了新的研究内容。

  2.EBSD技术有力地促进了我国晶界工程中的晶界特征及其分布(GBCD,grain boundary character distribution)的研究水平,其中一个重要突破是关于晶界面特征分布的五参数分析法的发明。

  3.提出的大体积多晶体材料显微组织的三维重建与可视化的最优集成方法被美国科学出版社2013年出版的《Materials Express》杂志作为封面论文重点推介;提出了新的三维晶粒长大速率理论模型和新的三维晶粒尺寸与拓扑学参数的定量关系;将体视学实验测定方法与计算材料学相结合,极大地提高了体视学的应用效果与效率。

  4.近年来完成的应用自动图像分析测定钢和其它金属中金相组织、夹杂物含量和级别的标准试验方法系列,平均晶粒度的标准测量方法以及定量金相测定方法等多种国家标准的编制、发布与修订工作,有力地推动了我国材料显微组织与夹杂物的定量表征领域的标准化和自动化进程。

  (四)图像分析研究进展

  1.不断发展的图像分析技术与方法包括:将各种数学理论及模型引入图像分割中,研究发展了一系列适合医学、材料领域图像分析的精准图像分割方法;针对生物体视学领域最新出现的皮肤镜图像技术,提出了一套精准的分割方法和方案。

  2.研究发展了多种适合图像自动理解与分类识别的理论方法。

  3.在分子影像领域,提出了分子影像非匀质重建新方法,形成了系列应用与产业化。由中国体视学学会常务理事田捷教授领衔完成的“小动物多模态光学分子影像成像方法与系统”荣获2010年度国家技术发明二等奖。

  4.建立了针对黄色人种的偏振光皮肤镜图像分析诊断方法和系统,提出了多光谱皮肤成像及医学图像辅助诊断机理的研究方法,填补了黄色人种多光谱成像早期诊断在国际上的研究空白。

  5.建立了基于全自动控制显微镜的数字病理切片及其DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)图像管理系统,开展了我国病理数字切片图像的DICOM标准的研究与探索。

  6.提出了基于数字病理切片的病理图像检索与辅助诊断方法,解决了图像检索过程中普遍存在的“语义鸿沟”问题。

  7.在三维获取方面,提出了一种新的立体匹配算法,在精度和效率方面均获得了优异的结果。

  8.在三维重建方面,在数据分割、物体识别和场景表示、数据缺失严重情况下的重建和基于多种传感器数据的植物重建和快速建模等方面取得了一系列重要成果。

  9.田捷教授领衔完成的“基于大形变和低质量的指纹加密方法与应用”荣获2012年度国家技术发明二等奖。

  (五)CT技术研究进展

  近年来,计算机断层影像(CT, computed tomography)技术取得了显著进展,包括以下几方面:

  1. 在CT的基本理论方法研究上,CT成像从二维全面向三维发展,体成像成为一种趋势。基于PI线的重建是三维重建的一个重要新理论,它成为解析重建方法的一个重要突破性工作。基于目标优化的迭代重建,尤其是基于压缩感知思想的和全变差最小化的方法在解决稀疏采样和数据缺失问题上取得了重要的进展。在CT成像的模式上,已从传统的衰减成像扩展到相衬成像和暗场成像,从传统的单能谱成像扩展到了双能/多能/能谱CT成像,并已在实验系统甚至实际系统取得良好的成像效果。在过程CT等非X光CT上提出了小波交叉熵图像重建、聚类算法等一系列新方法。

  2. 在CT系统相关的关键部件研究上,碳纳米管冷光源、结构光源、像素化高计数率光子技术探测器等新技术的出现和发展很大程度上给CT整个领域带来了新的活力和方向,也赋予了CT作为一种重要成像技术更大的潜力。近年来发表的几何伪影、非理想器件伪影等的校正方法与实际系统和工程项目特点结合紧密,获得了切实的良好校正效果,是CT成像质量大幅度提高的一个重要保障。

  3. 成像目标向微尺度和大尺度继续延伸,显微CT的分辨率已可达到几十纳米,对大型工件的成像则可覆盖至几米的直径范围。

  4. 由中国体视学学会理事长康克军教授领衔研发的“大型装备缺陷辐射检测技术”荣获2010年度国家技术发明一等奖,并在一批重点型号装备的研制生产、重要试验和延寿中发挥了不可替代的作用,广泛应用到航天、航空、兵器、铁路等单位;其另一成果“液体安全检查系统”获得2008年度信息产业部重大技术发明奖和2009年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖,已应用于国内民航机场、北京地铁、人民大会堂等重要场所以及2008年北京奥运会的安全保障当中,并先后在多国试用或使用;“产生具有不同能量的X射线的设备、方法及材料识别系统”则获得2012年国家知识产权局与世界知识产权组织颁发的第十四届中国专利奖金奖,出口到30多个国家和地区,全面覆盖了现有双能集装箱/车辆检查系统的新兴市场,引领了国际安检领域高能双能产品的新需求。

  (六)学术建制与学科建设进展

  自1987年成立以来,中国体视学学会现为中国科协的团体会员、国际体视学学会的团体会员,已建有生物医学、材料科学、图像分析、CT理论与应用、仿真与虚拟现实、金相与显微分析共6个分会,2009年又成立了学术委员会和会员工作委员会。

  1996年,学会创办了会刊《中国体视学与图像分析》,并设有“CT和三维成像科技新进展奖”(2004-2010期间评奖4届)和“中国体视学学会科技进步奖”(2012年首届)。2011年,承办了第13届国际体视学大会和了体视学发展50周年回顾的国际纪念性学术活动,并合作举办了首届国际大学生材料显微结构摄影大赛。至2013年,已成功举办了共13届中国体视学与图像分析学术会议。

  学会各分会举办有全国生物医学体视学学术会议系列、全国射线数字成像与CT新技术研讨会系列、全国信号与信息处理联合学术会议系列、全国材料科学与图像科技学术会议系列、全国金相与显微分析学术年会系列等。2012年,中国体视学学会协办首届全国大学生金相技能大赛;2013年,金相与显微分析分会举办了“蔡司•金相学会杯”全国高校大学生金相大赛。中国体视学学会或其分会还举办有国际数学形态学培训班(2011 北京)和中美体视学和定量分子病理培训班(已办4届),以及丰富多样的培训活动和体视学课程教学,受益者计达数千人。中国体视学学科的快速发展已经引起国际学术界的高度重视,我国科学家已连续3届当选国际体视学学会副主席(刘国权2004-2007,唐勇2008-2011, 2012-2015)。

  三、本学科发展的国内外对比

  在生物医学体视学领域,国内研究人员建立了定量研究大脑皮质、白质、海马、胼胝体等结构及其内的有髓神经纤维的体视学方法,并重点用于脑衰老领域的研究;运用现代体视学原理和方法开展生殖系统和肾脏定量研究。然而目前,我国在现代体视学方法应用方面与欧美国家尚有较大差距。

  材料体视学与电子背散射衍射(EBSD)技术交叉应用方面,在实验测试应用水平上国内外差异较小,但国内在制样水平、应用范围和晶体学理论深度等方面与国际先进水平有一定差距。在材料体视学与晶界工程(GBE)交叉领域,国外研究起步较早,国内真正意义上的GBE研究始于2005年,尽管在奥氏体不锈钢和镍基高温合金GBE研究等方面已申请了几项国家发明专利,但GBE技术在实际工程中的应用明显滞后。另外,体视学与图像分析方面的国家标准的制定修订上亦缺少原创性的重大突破。

  我国体视学图像分析技术在理论和应用方面发展迅速,相关研究热点问题与国际基本同步。体视学中所用到的图像处理、图像分割、特征提取、图像定量测量、三维重建、可视化等方法已达到国际上的先进水平。然而,在体视学相关的图像分析仪器的研制上与发达国家还有一定差距,在把新的图像分析理论及时与实用的仪器系统结合上存在很大欠缺。

  我国在CT基础研究方面与发达国家的差距在快速缩小,在数据处理、图像重建等方面与国际前沿基本同步;在医学CT设备研制方面国内也取得较大进展,但与国际水平差距依然很大;在非医学CT设备研制方面,如无损检测CT、安检CT发展较快,已跻身国际先进行列;显微CT在许多领域的应用也在逐步展开。但是,我国CT设备关键器件仍然依赖进口,这成为国产CT研发的瓶颈。

  总体上讲,我国体视学与欧美国家的主要差距表现在:(1)现代体视学方法在我国的原创研究与应用显著不足,缺乏系统性的体视学原创性理论;(2)无论是理论还是设备,在将体视学运用于医学研究时,我国科研领域的普及度较国外明显不足,研究者对体视学学科的掌握了解程度参差不齐;(3)将其他先进技术应用于体视学研究尚处于起步阶段;(4)与欧美国家相比,我国科技工作者采用体视学方法在国际性杂志上公开发表的论文数量所占比例较低。

  四、本学科发展趋势和对策

  本学科未来发展方向主要包括以下几方面:

  1. 在生物医学体视学领域,新的交叉学科正在形成。随着分子生物学的发展以及计算机和图像分析技术的广泛应用,生物医学领域的形态学科正由简单的形态描述向量化方面发展,进而产生了生物医学体视学和远程生物医学;另一方面,分子生物学、生物化学、免疫学和分子遗传学与形态学科交叉、渗透,产生了分子形态学。

  2. 将已有体视学原理、方法、技术和仪器设备的创新应用与计算材料学、材料的快速表征乃至高通量表征的思路紧密结合,可望成为材料体视学的另一个重要研究方向。体视学在晶界特征及其分布表征方面的应用还有相当大的发展空间。提高显微CT的分辨率并应用于材料显微组织表征分析极可能是另一个潜在的新研究发展领域。

  3. 图像分析方法、图像分析应用、含时变参数的四维医学图像分析、利用计算机对图像进行理解和目标自动识别等,是当前图像分析领域的研究热点和趋势。越来越多的图像分析辅助诊断系统将进入医学临床诊断和治疗领域,有助于充分利用以往的病例数据库信息和有经验医生的临床诊断经验和方法,通过机器学习和图像识别技术帮助医生快速准确地确诊病情。

  针对本学科未来发展,建议做好以下几方面工作:

  1.充分发挥中国体视学学会的作用,大力促进产学研用结合,不断推动我国体视学学科、图像分析技术、CT技术的快速健康发展与推广应用。

  2.重视基础研究,加强原始创新与协同创新,提高我国CT设备以及体视学与图像分析仪器的自主研发水平和市场综合竞争能力,打破少数外国公司对高端市场的垄断。

  3.通过与不同学科领域的重大需求及其新思路、新技术有机结合,发展体视学新技术新方法与创新应用,致力于体视学为自主创新性国家建设做出更大的贡献。

  4.在体视学与相关技术推广应用于不同领域的过程中,均应高度重视相关的标准化建设。同时,应当鼓励公益性的体视学共性技术研究与更便于推广普及的软硬件开发,并建议国家给予适当资助与支持。
 

  Stereology
 

  25.1 Re-understanding of “Stereology”

  Since the word “stereology” first coined in 1961, the definition of stereology, in different application fields domestically and internationally, including authoritative dictionaries and other descriptions, is usually various and even misinterpreted, which directly impact the correct understanding of the stereology discipline. In 2012 and 2013, the Chinese Society for Stereology have for the first time organized hundreds of domestic and foreign specialists in several fields to hold an academic discussion about stereology discipline and the definition of stereology. The specialists reached a consensus on the following aspects. Firstly, the core content of the definition of stereology is to deal with the three-dimensional structures. Secondly, 3D CT imaging on the projection data belongs to stereology category. At the same time, we accept that the theory and technology of three-dimensional CT image reconstruction are one of the organic components of the theoretical method system of stereology.

  25.2 Biomedical stereological research progress

  (1) The biomedical stereological methods have been established and improved. For example, the unbiased stereological methods for the quantitative researches on the structures and myelinated fibers in cerebral cortex, hippocampus and corpus callosum have been established. (2) The applications of stereological methods in experimental pathology and clinical pathology diagnosis have been strengthened. The application fields include radiopathology, electromagnetic radiation damage studies, normal tissue structure or in animal models of various diseases, as well as in tumor pathology, quantitative analysis of infrared thermography, dermoscopy image analysis, histomorphometry and other clinical pathological diagnosis, diabetes molecule pathogenesis studies, liver disease pathogenesis and clinical countermeasures applications and so on.

  25.3 Material stereological research progress

  (1) Electron Back Scattering Diffraction (EBSD) technology makes material connotation from the geometrical morphology of microstructures, expanding to the broad microstructural information of the phases and the compositions. (2) As one of breakthroughs in the research field of Grain Boundary Character Distribution, the five-parameters analysis methodology has been invented. (3) An optimal approach of 3D reconstruction and visualization of large volumes of grain structures have been introduced by Materials Express (ISSN: 2158-5849) as the cover paper highlights in 2013. Moreover,the combination of the stereology experiment method and the computational materials science has greatly improved the effect of the application of stereology and efficiency. (4) In recent years, the establishment of new Chinese National Standards and the revision of the existing ones on stereology and image analysis have vigorously promoted the process of standardization and automation on quantitative characterization of materials microstructure and nonmetallic inclusions in China.

  25.4 Image analysis research progress

  (1) Various mathematical theories and models have been introduced into image segmentation. A series of precise image segmentation methods, suitable for the image analysis in medical field and material field have been developed. (2) A variety of theoretical methods which suitable for automatic image understanding and classification have been developed. (3) A new method to rebuild non uniformity molecular imaging has been proposed. Tian Jie et al. completed “Small animal multimodality optical molecular imaging method and system” and won the Second Prize of State Technological Invention awards in 2010. (4) The methods and system for analyzing and diagnosing the polarized light dermoscopy image of yellow race have been established. The methods to research the diagnosis mechanism of skin cancer based on multispectral imaging have been put forward. The research filled in the gap of early diagnosis with multi-spectral imaging for yellow race in the world. (5) Based on microscope of automatic control, digital pathological and the image management system of DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) have been established, and the exploration for the standard DICOM of pathologic slice digital images has been carried out. (6) Based on the digital pathology biopsy, the methods for pathological image retrieval and auxiliary diagnosis have been proposed, which eliminates “semantic gap” generally existed in the process of image retrieval. (7) A new stereo matching algorithm with high precision and high efficiency has been proposed for the 3D access. (8) In 2012, “The encryption method and application based on the large deformation and low quality fingerprint”, completed by Tian Jie et al. won the Second Prize of State Technological Invention awards.

  25.5 CT technological research progress

  (1) Based on the CT basic theory in the study, CT imaging, from two-dimensional (2D) to three-dimensional (3D), has become a trend. Recently, a new theory of 3D reconstruction based on PI-lines is an important progress in 3D reconstruction. (2) On the CT system’s development and application, imaging target is on micro-scale and large-scale. On the one hand, it adapts to the imaging demands from biological and material science. On the other hand, it provides reliable 3D perspective “eye” for the aerospace, shipbuilding, weapons and other industries. In addition, the CT systems of flexible configurations have been developed to accommodate the modern applications. (3) The scientists in the Chinese Society for Stereology led by Professor Kejun Kang developed the “Large equipment defects radiation detection technology” and won the First Prize of 2010 State Technological Invention Awards. The detection technology has played an irreplaceable role on the research and production of a large number of key equipments. Another achievement “Liquid safety inspection system” won the Major Technological Invention Award of Ministry of Information Industry in 2008, the First Prize of the Ministry of Higher Education and Scientific Research Technological Invention Award for Outstanding Achievement in 2009, and it serves in important places such as the domestic civil aviation airport, Beijing subways, the Great Hall of the People, and etc. Moreover, it has been used for the security of the Olympic Village and the Olympic venues in 2008 Beijing Olympic Games. It has also been successfully used for trial or formal installation in the UK, France, Austria, Australia, Mozambique airports and so on. “The apparatus, method and material identification system generating X-rays with different energy levels” won the Gold Award of the 14th China Patent Award awarded by The People’s Republic of China State Intellectual Property Office and the World Intellectual Property Organization. The system has been exported to over 30 countries and regions, which comprehensively covering the emerging markets for the existing dual-energy Container / Vehicle Inspection System, promoting new demands for dual energy products in international security field.

  25.6 Academic institution and discipline construction progress

  Since the Chinese Society for Stereology (CSS) established in 1987, 6 branches have been set up, including the Biomedicine, the Materials Science, the Image Analysis, the CT Theory and Application, the Virtual Reality and Simulation, the Metallography and Microscopic Analysis Branches. Now, the CSS is the member of the China Association for Science and Technology and the member of the International Society for Stereology (ISS). Chinese Journal of Stereology and Image Analysis, as the official journal of the CSS, had been established in 1996. The CSS had also instituted the Award for Scientific and Technological Progress about CT and Three-dimensional Imaging (2004-2010, for 4 terms) and the Award for Scientific and Technological Advancement of the CSS (2012). In 2011, the CSS held the 13th International Congress of Stereology (ICS-13) and the international commemorative academic activity for 50th anniversary of the ISS and jointly hosted the first International Undergraduates’ Material Microstructure Photo Contest. From 1981 to 2013, 13 Chinese Stereology and Image Analysis Conferences have been held. The significant advances of stereology in China has been the increasing concern from the ISS, which is reflected in the permission of undertaking the ICS-13, as well as in the fact that three term vice presidents of the ISS are the members of the CSS (Guoquan Liu, 2004-2007; Yong Tang, 2008-2011; 2012-2015).