使用图像分析测量颗粒大小和形状

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1、使用图像分析测量颗粒大小和形状4图像分析应用注释MRK664-01究竟什么是颗粒大小和形状？本文对如何计算颗粒大小和形状进行了描述，并用图例说明如何使用图像分析来对这两者进行测量。什么是颗粒大小？描述3D颗粒往往是一项复杂的工作，没有想象的那么容易。为了实用或管理方便，3D颗粒捕捉为2D图像图1：计算CE直径转化为具有相同面积的圆CE直径测量的圆直径4图像分析应用注释MRK664-01将颗粒大小用一个数字表示可以带来很多方便。除非颗粒是完美的球体，而现实世界中这种情况实属罕见，否则就需要用多种方法来描述颗粒的大小。这是颗粒大小分析面临的基本挑战–如何只用一个数字来描述3维对

2、象呢？图像分析捕获3D颗粒的二维图像，然后根据2D图像计算各种大小和形状参数。其中计算的一种主要直径是CE直径（等圆直径），等于与颗粒2D图像面积相同之圆的直径。当然，不同形状的颗粒会对CE直径有影响，但重要的是，可以使用一个数字来描述颗粒的大小，这个数字是客观和可以重复的。CE直径颗粒的3D图像被捕捉为2D图像，然后转化为与2D图像面积相同的圆。之后，再将该圆的直径作为此颗粒的CE直径进行报告（参见图1）。当然，根据一个颗粒计算得出的值不可能成为“用于管理目的的普遍值”。它不可能具备统计意义，因为单个数值取决于所选择的个别颗粒。必须从整体上对对代表样本的大量颗粒进行测量，并得

3、出统计参数。例如，更为合适的一个特征数值应为所有CE直径的均值。在生成分布后，即可较容易地计算所有统计参数，例如：均值、中值、众数、标准差、D10、D90百分位数等。许多实际的样品大都会形成“正态”或“高斯”分布。这样我们就可以使用统计方法来评估置信度参数，并就要分析的最小颗粒数量提出建议，从而获得合理的统计显著性水平。什么是颗粒形状？它为什么那么重要？如果说描述3D颗粒大小是个复杂的过程，则量化形状就显得更为复杂！有关描述复杂形状的方式几乎是无穷尽的，而为了做到这一点，我们似乎偏离了将样本减少到一个可计量范围内的既定目标。那么，为什么要测量形状？只测量大小有时并不足以体现样品

4、之间重要而细微的差别。一些批次的样品可能会有所差异，而在转变成等圆或等球直径时这种差异可能会消失。例如，让我们看一下下面的3种形状。这3种形状均具有相同的面积，即等于4平方单位。当计算它们转化后的等圆直径时，会出现相同结果–直径等于2.257个单位。4图像分析应用注释MRK664-014图像分析应用注释MRK664-014图像分析应用注释MRK664-01边长为2个单位的正方形边长为3.039个单位的等边三角形直径为2.257个单位的圆注意，长椭圆形（图3右上方）的圆度与图3左下方紧致力尖锐的图形正好相同。因此，开发出各种形状参数作为“工具包”使用-不同的应用情形需要使用不

5、同的形状参数。例如，当出于QC目的对完美球状颗粒进行测量时，4图像分析应用注释MRK664-01图2：相同CE直径的三种完全不同的形状可以将圆度作为识别球体偏差的参数。但是，圆度不适于“尖锐”和4图像分析应用注释MRK664-01这正是仅测量大小的主要弊端–形状完全不同的样品可能表现出单一的共性，因为它们有相似的2D投影面积。颗粒形状往往对最终产品的性能参数（例如流动性、研磨效果、生物有效性等）产生较大的影响，因此需要引入一些表征形状的方法。三种常用的形状因子–圆度、凸起度和延伸度一种形状的测量是量化与正圆的“接近程度”。为了衡量这一指标，我们使用如下定义的“圆度”参数：圆度=

6、4pA/P2将此参数为作HS圆度会更准确（用于高灵敏度）。圆度值的范围为0-1。正圆的圆度值为1，而极“尖锐”或不规则对象的圆度值接近0。圆度对整体形状和表面粗糙度都比较敏感。研究以下形状–注意整体形状和对称性及表面粗糙度如何对圆度产生影响。从人为判断来说，圆度是我们可以用来衡量“与正圆的偏差”的良好指标。但是请记住，单一的形状描述指标不可能完美地识别和表征所有应用情形和不同状的组合，认识这一点非常重要。椭圆颗粒同时存在的情形。另外两种常用的形状参数是凸起度和延伸度。凸起度凸起度用于衡量颗粒的表面粗糙度，通过凸起周长除以颗粒的实际周长来计算。测量“凸起周长”最简单的方式是设想

7、将一根橡皮筋缠绕颗粒。凸起度的值也在0-1范围内。当凸起周长正好与实际周长相同时，形状的凸起度为1。由于实际4图像分析应用注释MRK664-014图像分析应用注释MRK664-01其中，A是颗粒面积，P是其周长。圆度等于与颗粒面积相同的圆周长除以实际颗粒图像的周长。圆度还有其他定义，但是如上所述的定义在分子和分母中有一个平方项，使参数更加敏感，以反映面积与周长关系中最微小的变化。因此，我们图3：圆度形状描述参数图例4图像分析应用注释MRK664-014图像分析应用注释MRK66