一种基于TV约束的断层相位显微镜重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TV约束的断层相位显微镜重建方法，包括：(1)采集多角度的相位图像；(2)建立系统矩阵成像模型；(3)加入TV约束；(4)重建出三维折射率图像。本发明专利技术通过建立显微镜成像的系统矩阵模型，将数据采集过程中的各种不确定因素纳入统一的描述框架；基于图像的稀疏特性，有效缓解了由于缺失锥带来的图像轴向拉伸效应，提高了显微镜的轴向分辨率；同时也可以通过稀疏角度采集相位数据，减少了总的采集角的数量，从而减少成像时间，提高显微镜的时间分辨率，利于观察生物样品的动态特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物医学图像重建
，具体涉及一种基于TV(Total Variation，全变差)约束的断层相位显微镜重建方法。
技术介绍
许多活体细胞和生物样品呈现一定的透明性，而其折射率本身则通常用于区分细胞或生物样品结构特性的内在的对比源。近年来，随着光学显微镜以更高的时空分辨率不断发展，它已成为生物学和医学研究中不可或缺的工具。其中断层相位显微镜(tomographic phase microscopy，TPM)由于其直接对生物样品的折射率分布进行成像，而不需要任何添加任何染料，越来越成为生物学家的研究热点。断层相位显微镜通常采用外差式激光干涉仪，定量获取样品在不同角度的光的照射下形成的干涉条纹，并解析出相应的相位图像，随后基于各角度相位图像，重建出样品三维折射率的分布。因而图像的重建算法在提高折射率图像的质量和时空分辨率中，有着重要的作用。通常，基于对激光经过样品后的衍射场的不同解释，用于显微镜图像重建算法可以分为两类。第一类方法假定激光是直线穿过样品，并且所得的相位，是光线穿过样品的线积分，这类一般利用滤波反投影或者改进的滤波反投影算法，对折射率图像进行重建。该类方法直观，而且在低散射的样品中表现出很好的效果，但是对于大样品或者折射率高的样品，重建结果却不太理想。另一类方法考虑到光学场的衍射效应，在频域空间建立样品折射率和衍射场的关系模型，并采用Born近似或Rytov近似，将二者关系线性化，得到所谓的傅里叶衍射定理，从而简化关系模型；然后，采用三维傅里叶你变换，重建出样品的折射率分布。由于以上两类方法都只是在傅里叶空间进行线性滤波，忽略了整个探测过程的影响。而且，这种傅里叶理论并不能充分表征图像数据的空间各项异性特征。同时，许多生物应用，都要求对生物的动态过程进行成像，因而显微镜的成像速度，即时间分辨率，也是需要考虑的重要因素。然而，在通常的断层相位显微镜中需要依次对样品进行多个角度的采样，成像的空间分辨率受制于采集角度的数目和相邻采集角度间隔的大小。为了提高成像空间分辨率，就需要对样品进行密集的、更多角度的采样，这就需要更多的成像时间，牺牲了成像的空间分辨率。虽然Fang-Yen C等在2011年发表的文章Video-rate tomographic phase microscopy中通过改进仪器设置减少每一角度的采样时间，进而是成像的速度达到视频级别。但是这种方法仍然像以往一样，需要采集很多角度的数据。因而，我们认为，如果可以在不降低图像空间分辨率的情况下，进一步减小采样频率，即减少总得角度采样次数，那么我们将进一步提高显微镜的成像速度，但是随着采集频率变小，将很难从采集数据从重建出高质量的折射率图像。另一方面，相位显微镜中存在的缺失锥的问题，即由于显微镜有限的数值孔径导致光束只能局部扫描部分角度，而另一部分角度数据则无法采集。这种数据的缺失，将致使重建后的折射率图像在轴向拉伸、折射率数值偏低。由于采集数据的不足，利用普通的解析算法难以重建样品的折射率图像，这对图像重建提出了新的挑战。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于TV约束的断层相位显微镜重建方法，通过建立统一的数据采集系统模型，然后加入TV约束条件，并利用加速交替方向乘子法快速求解，重建出折射率分布图像。一种基于TV约束的断层相位显微镜重建方法，包括如下步骤：(1)采集放样品和不放样品两种情况下对应多个角度的激光干涉图像，并从中解析出纯样品对应各角度的相位图像；(2)建立样品关于折射率与相位之间的系统模型如下：f＝Au+e其中：A为系统矩阵，u为平行于激光旋转方向任一断层的样品折射率图像，f对应为该断层的多角度样品相位图像，e为测量噪声向量；(3)基于上述系统模型加入TV约束，得到显微镜图像重建的目标函数如下，根据该目标函数遍历各断层进行优化求解，重建得到样品的三维折射率图像； min u { μ 2 | | A u - f | | 2 + | | u | | t v本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TV约束的断层相位显微镜重建方法，包括如下步骤：(1)采集放样品和不放样品两种情况下对应多个角度的激光干涉图像，并从中解析出纯样品对应各角度的相位图像；(2)建立样品关于折射率与相位之间的系统模型如下：f＝Au+e其中：A为系统矩阵，u为平行于激光旋转方向任一断层的样品折射率图像，f对应为该断层的多角度样品相位图像，e为测量噪声向量；(3)基于上述系统模型加入TV约束，得到显微镜图像重建的目标函数如下，根据该目标函数遍历各断层进行优化求解，重建得到样品的三维折射率图像；minu{μ2||Au-f||2+||u||tv}]]>其中：||||2表示2范数，||||tv表示TV范数，μ为权重系数。

【技术特征摘要】
1.一种基于TV约束的断层相位显微镜重建方法，包括如下步骤：(1)采集放样品和不放样品两种情况下对应多个角度的激光干涉图像，并从中解析出纯样品对应各角度的相位图像；(2)建立样品关于折射率与相位之间的系统模型如下：f＝Au+e其中：A为系统矩阵，u为平行于激光旋转方向任一断层的样品折射率图像，f对应为该断层的多角度样品相位图像，e为测量噪声向量；(3)基于上述系统模型加入TV约束，得到显微镜图像重建的目标函数如...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华锋，郭敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33