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SNT › Strahler 分析（来自图像）

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SNT 中的 Strahler Analysis 有多个入口点。您可以在_神经解剖学快捷方式_面板中找到它们（斐济工具栏中的Plugins › Neuroanatomy或“SNT”图标）：

  1. Strahler 分析（图片）...直接解析骨架化图像，绕过跟踪（本页描述）
  2. Strahler 分析（追踪）... Parsing of traced structures (described in 分析 › Strahler（追踪）)
  3. Strahler 分析脚本文件的批处理

虽然 Strahler Analysis（图像）… 仍然是一个功能性工作流程，但您可能会发现它的简单性相当有限。更灵活的方法可能是在它们上运行 auto-tracing 并运行 Strahler Analysis (Tracings)。

/media/plugins/snt/strahler-classification-example.png

Strahler classification

Strahler 编号是一种总结数学树分支复杂性的数值过程。 here中有详细描述。

说明

Strahler 分析（图像） 采用包含 单个乔木 的 二元 或 8 位灰度 图像（2D 或 3D），并迭代调用 AnalyzeSkeleton[^2] 以从其中检索Horton-Strahler numbers输入图像的skeletonized centerlines。每次迭代包括三个操作：

1.（重新）骨架化步骤，以确保心轴仍然由其中心线表示

  1. 消除步骤，从图像中修剪末端分支
  2. 分析步骤，对修剪后的树枝进行计数和测量。一旦所有分支都被消除或者在修剪的乔木中检测到未解决的closed loop，迭代就会停止。

参数

树分类

从矩形 ROI 推断根端点：此选项仅在存在矩形 ROI 时可用。 root detection 对此进行了描述。

/media/plugins/snt/strahleranimation.gif

Direct analysis of images occurs through progressive pruning of terminal branches, iterative tree simplification, a method that requires detecting all terminal branches (i.e., branches that contain an end-point) and all the degree-one paths leading to them.

忽略单点乔木（孤立像素） 消除端点分支可能会产生单点乔木。这种“碎片”有 1 个端点，但没有板状分支或交汇处。选择此选项后，每次迭代都会丢弃单点心轴。如果取消选择，端点总数可能会被高估。

消除骨架循环

方法 Strahler Analysis 无法处理包含闭环的骨架，并且在检测到此类结构时将输出警告消息。此下拉菜单中的可用方法定义了如何解决闭环问题，并在第 AnalyzeSkeleton documentation page 中进行了描述。

未分割的图像 AnalyzeSkeleton用于intensity-based消除闭环的初始非细化图像。仅当选择“最低强度体素”或“最低强度分支”作为“方法”时，才使用此选项。请注意，如果选择基于强度的方法，但所选图像是二值图像，则将无法解析闭环。

输出选项

显示迭代堆栈 如果选中，将显示记录各个修剪周期的图像堆栈。端点和连接点位置被附加到堆栈中。

显示详细信息 如果选中，分析将以详细模式运行，输出详细测量结果并记录调试消息。

根检测

/media/plugins/snt/strahler-rootprotection.png

Left: Arbor with rectangular ROI containing root. Middle: Analysis ignores ROI. Root-branch is interpreted as any other terminal-branch and the resulting classification is inaccurate. Right: Analysis takes ROI into account and infers that the end-point contained by the ROI is the root of the structure. Root branch is excluded from the iteration and the classification is accurate.

不加区别地消除终端分支的问题是，包含端点的根分支总是在第一次迭代步骤中被消除。为了防止根枝被消灭，斯特拉勒分析需要知道根枝的位置。根检测是通过包含根分支的矩形 ROI 并激活“从矩形 ROI 推断根端点”选项来实现的。这是一个例子：

根检测注意事项

  • 只能使用矩形 ROI 来标记根分支。这是故意的：根检测算法的工作方式是“保护” ROI 包含的所有端点不被端点消除。使用复杂的 ROI（例如，不连续或包含内部孔）会使这项任务变得更加繁琐。
  • ROI 仅需要包含根端点，并且其边界是否拦截其他分支并不重要。然而，如果 ROI 包含交汇点，则根枝上的测量可能不准确。确保算法按预期运行的最佳方法是目视检查迭代堆栈中的所有切片。
  • 对于放射状乔木（即在多个方向均匀分支的树状结构），如果根部在乔木中心保持连接（如第§§9§§§中），则可能不需要根部检测。在神经生物学中，放射状分支是某些细胞类型的解剖学标志，例如视网膜神经节细胞、吊灯神经元或果蝇 IV 类感觉神经元。
  • 如果您要批量处理多个图像，则应使用 .tif 文件：保存为 TIFF 时，ImageJ 会将活动 ROI 存储在图像标题中，使其在图像打开时立即可用。

输出

该插件产生三种类型的结果：

  1. Strahler 图像：热图图像，其中分支根据其 Horton-Strahler 数进行颜色编码。默认情况下，校准斜坡 (Analyze › Tools › Calibration Bar…) 作为叠加层添加。此Strahler 色彩图 图像的所见即所得版本（RGB 图像）可以通过按⇧ Shift + F（Image › Overlay › Flatten的快捷键）获得。

  2. Strahler 表 列出 Horton-Strahler 计数的表。此 Strahler 表 的扩展名和格式可在第 Edit › Options › Input/Output… 中指定。它包含以下数据：

    • 端点分支 - 每个 Horton-Strahler 阶的分支数量。
    • 分枝比率 - 分枝或bifurcation ratios是连续订单的分支之间的商。可以通过对订单之间的比率进行平均来获得总体比率。

  3. 迭代日志 如果选中显示详细信息，则平均分支长度，N。树，N。分支，N。路口，N。三重点，N。每次迭代还会检索四重点。这些在AnalyzeSkeleton 的documentation page中进行了描述。

    与_Strahler 分析（追踪）_ 的限制和比较

/media/plugins/snt/strahler-analysis-from-reconstructions.png

Strahler Analysis (Tracings) provides more detailed quantifications at the expense of reconstruction.

直接解析图像有两个主要限制：

  1. 骨架化的准确性：分析只能与图像分割一样准确。对于许多图像（特别是那些描绘较简单结构的图像），这可能不是问题，但您应该始终对分割不当所获得的结果持批评态度。如果您的图像不适合直接解析，请考虑事先在 SNT 中重建它们

  2. 简单形态测量：由于不进行重建，因此每个 Strahler 阶进行的测量类型相当有限。对于详细的形态测量，请考虑使用 Extract Paths from Segmented Image… 命令在 SNT 中自动重建骨架化图像。

相关工作流程

引用

参考文献

Robert E. Horton 和Arthur N. Strahler 的原始文献列于here。