一种光片照明显微切片成像系统及成像结果处理方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光片照明显微切片成像系统及成像结果处理方法。光片照明显微切片成像系统包括光片照明成像装置、样本表面切削装置、样本移动装置以及成像结果处理装置；光片照明成像装置通过斜入射照明及斜探测的方式对样本表面进行光片照明成像；样本表面切削装置用于切削已成像的样本表面以暴露未成像的部分；样本移动装置用于控制样本移动，使得样本不同部分被切削并成像；成像结果处理装置用于控制其他装置协调工作以及对原始成像数据进行实时处理。成像结果处理方法包括层内数据重建和层间数据配准，用于获得按照样本放置方向的图像。本发明专利技术可实现对大体积样本的高分辨率尤其是高轴向分辨率成像，同时提供高成像质量和高成像速度。

Optical chip illumination microsection imaging system and imaging result processing method

The invention discloses a photo chip illumination micro sectioning imaging system and a imaging result processing method. The optical slice imaging system includes the light slice illumination imaging device, the sample surface cutting device, the sample moving device and the imaging result processing device, and the light slice illumination imaging device carries out the light slice illumination on the sample surface through the oblique incidence lighting and the oblique detection, and the sample surface cutting device is used for cutting. The sample surface is used to expose the parts of the non imaging; the sample mobile device is used to control the movement of the sample, so that the different parts of the sample are cut and imaging; the imaging result processing device is used to control the coordination of other devices and to process the original imaging data in real time. Image processing methods include intra layer data reconstruction and inter layer data registration, which are used to obtain images in accordance with the orientation of samples. The invention can achieve high resolution of large volume samples, especially high axial resolution imaging, and provide high imaging quality and high imaging speed.

【技术实现步骤摘要】
一种光片照明显微切片成像系统及成像结果处理方法
本专利技术属于生物成像领域，更具体地，涉及一种光片照明显微切片成像系统及成像结果处理方法。
技术介绍
生命科学研究中通常要在大体积范围内获取生物样本精细的三维结构信息，作为重要的工具，各类光学显微成像系统发展迅速，其中，光片照明显微成像系统和显微光学断层层析成像系统的应用较为广泛。图1所示为现有光片照明显微成像系统的示意图。如图1所示，光片照明显微成像系统包括照明光路部分101、探测光路部分103以及样本移动部分105；照明光路部分101形成光片照明样本，激发样本产生荧光信号；荧光信号通过探测光路部分103的物镜与聚焦透镜收集成像到探测器表面；样本移动部分105承载样本107进行移动或旋转以对整个样本进行成像。图2所示为现有显微光学断层层析成像系统的示意图。如图2所示，显微光学断层层析成像系统包括成像装置201、样本平面切削装置203以及三维移动平台205；三维移动平台205携样本207沿切削方向运动，样本平面切削装置203将样本207的表层逐个条带地切削，切削过程中由成像装置201对离开样本的被切削部位进行线扫描成像，由条带图像拼接出整个断面的图像，由断面图像重建出样本的三维结构。现有光片照明显微成像系统，物镜之间存在相互干扰，且为实现对大体积样本成像所采用的低数值孔径的物镜会降低成像分辨率尤其是轴向分辨率，因此对样本进行成像时，无法同时获得大体积、高分辨率的成像结果；现有显微光学断层层析成像系统，其成像分辨率，特别是轴向的成像分辨率受成像方式的限制，不能达到与横向分辨率相同的水平。总体而言，现有的光学显微成像技术对大体积生物样本成像时，无法获得较高的分辨率，尤其是轴向分辨率。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提出了一种光片照明显微切片成像系统及成像结果处理方法，旨在解决现有的光学显微成像系统对大体积生物样本成像时无法获取高分辨率尤其是高轴向分辨率的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种光片照明显微切片成像系统，包括光片照明成像装置、样本表面切削装置、样本移动装置以及成像结果处理装置；光片照明成像装置通过斜入射照明及斜探测的方式对样本表面进行光片照明成像；样本表面切削装置用于切削已被光片照明成像装置成像的样本表面以暴露未成像的部分；样本移动装置用于控制样本移动，使得样本不同部分被样本切削装置切削并被光片照明成像装置成像；成像结果处理装置用于控制其他装置协调工作以及对获取自光片照明成像装置的原始成像数据进行实时处理。光片照明成像装置包括照明模块与探测模块；照明模块用于形成光片照明样本，激发样本产生荧光；探测模块用于采集样本产生的荧光信号并成像；更进一步地，照明模块包括：沿光路方向依次设置的激光器、光束整形单元和照明物镜；激光器用于发出准直光，光束整形单元用于将激光器发出的准直光整形成为线光斑，照明物镜用于将光束整形单元整形所得的线光斑共轭到样本表面形成光片，照明样本；更进一步地，光束整形单元包括：激光扩束单元和光束压缩单元；激光扩束单元用于使得激光器发出的准直光在二维上得到扩束，扩束的尺寸由需要产生的照明光片宽度决定；光束压缩单元用于将准直光压缩成为线光斑并形成光片，照明样本；更进一步地，激光扩束单元包括：沿光路方向共焦点共光轴设置的第一透镜和第二透镜，第一透镜为凸透镜或者凹透镜，第二透镜为凸透镜或者凹透镜。更进一步地，光束压缩单元包括：共焦点设置的柱透镜和照明筒镜；柱透镜用于将准直光压缩成为线光斑，照明筒镜用于形成光片，照明样本。更进一步地，探测模块包括：成像物镜、成像筒镜以及探测器；成像物镜用于对样本激发的荧光信号成像，成像筒镜与成像物镜相结合以完善地校正成像物镜的像差，探测器用于拍摄并记录放大后的成像结果；对样本成像时，激光器发出准直光；准直光经过光束整形单元及照明物镜后形成光片，照明样本，激发样本产生荧光信号；样本产生的荧光信号经过探测模块被采集成像。样本表面切削装置，包括刀具、刀托和刀架，刀具通过刀托固定于刀架上，用于切削已成像的样本表面以暴露未成像的部分。样本移动装置包括：精密三维移动平台，用于携带样本沿x、y、z方向移动，使得样本不同部分被样本切削装置切削并被光片照明成像装置成像，其中x方向为扫描或切削步进方向，y方向为一次切削完成后样本移动的方向，z方向为样本轴向；具体地，对样本切面的一列进行切削时，样本沿x方向移动；样本切面的一列切削完成后，样本沿y方向移动，对下一列进行切削；一层样本切面切削完成后，样本沿z方向移动，对下一层切面进行切削。更进一步地，光片照明成像装置，其照明光路的坐标系包括x’方向、y’方向和z’方向，其中x’方向为沿照明物镜的方向，y’方向与y方向同向；x’-y’-z’坐标系和x-y-z坐标系均为标准笛卡尔坐标系，x’-y’-z’坐标系由x-y-z坐标系绕y方向顺时针旋转所得，旋转角度为照明物镜的光轴与水平面的夹角。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种成像结果处理方法，包括层内数据重建和层间数据配准，用于对原始成像结果进行实时处理，以获得按照样本放置方向的图像。具体地，层内数据重建包括如下步骤：(1)在每次成像过程中获取一系列原始的倾斜于样本表面的二维条带序列，每一个条带对应多行像素，每一行像素平行于xy平面；(2)对原始的二维条带序列进行重新采样，将每个条带中相同行的像素拼接得到一系列帧序列，每一帧图像垂直于样本轴向；重新采样的横向采样间隔为a＝vΔt，轴向采样间隔为c＝Spsinα/M，其中v为成像时平台运动的速度，Δt为探测器曝光间隔，Sp为探测器像素尺寸，α为探测光轴与垂直方向的夹角，M为探测放大率；(3)根据上下两帧的平移间隔计算每一帧的平移间隔，其中上下两帧的平移间隔为a'＝Spcosα/M；(4)根据步骤(3)的计算结果通过平移或插值对每一帧进行处理，具体地，计算所得每一帧的平移间隔为像素尺寸整数倍时，通过平移处理每一帧；计算所得每一帧的平移间隔为非像素尺寸的整数倍时，通过插值处理每一帧；层间数据配准，将上下连续两次成像过程中所探测到的图像，在层内数据重建后使用成像过程中的冗余部分数据进行算法配准。更进一步地，成像结果处理装置用于控制其他装置协调工作，同时通过本专利技术提供的成像结果处理方法对获取自光片照明成像装置的原始成像数据进行实时处理。更进一步地，成像结果处理装置包括：层内数据重建模块和层间数据配准模块；更进一步地，层内数据重建模块包括：原始条带获取单元、重新采样单元、平移间隔计算单元以及帧处理单元；其中：原始条带获取单元在每次成像过程中获取一系列原始的倾斜于样本表面的二维条带序列，每一个条带对应多行像素，每一行像素平行于xy平面；重新采样单元对原始的二维条带序列进行重新采样，将每个条带中相同行的像素拼接得到一系列帧序列，每一帧图像垂直于样本轴向，重新采样的横向采样间隔为a＝vΔt，轴向采样间隔为c＝Spsinα/M，其中v为成像时平台运动的速度，Δt为探测器曝光间隔，Sp为探测器像素尺寸，α为探测光轴与垂直方向的夹角，M为探测放大率；平移间隔计算单元根据上下两帧的平移间隔计算每一帧的平移间隔，其中上下两帧的平移间隔为a'＝Spcosα/M；帧处理单元根据所述平移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光片照明显微切片成像系统，其特征在于，包括光片照明成像装置、样本表面切削装置、样本移动装置以及成像结果处理装置；所述光片照明成像装置通过斜入射照明及斜探测的方式对样本表面进行光片照明成像；所述样本表面切削装置用于切削已被所述光片照明成像装置成像的样本表面以暴露未成像的部分；所述样本移动装置用于控制样本移动，使得样本不同部分被所述样本切削装置切削并被所述光片照明成像装置照明成像；所述成像结果处理装置用于控制其他装置协调工作以及对获取自所述光片照明成像装置的原始成像数据进行实时处理。

【技术特征摘要】
1.一种光片照明显微切片成像系统，其特征在于，包括光片照明成像装置、样本表面切削装置、样本移动装置以及成像结果处理装置；所述光片照明成像装置通过斜入射照明及斜探测的方式对样本表面进行光片照明成像；所述样本表面切削装置用于切削已被所述光片照明成像装置成像的样本表面以暴露未成像的部分；所述样本移动装置用于控制样本移动，使得样本不同部分被所述样本切削装置切削并被所述光片照明成像装置照明成像；所述成像结果处理装置用于控制其他装置协调工作以及对获取自所述光片照明成像装置的原始成像数据进行实时处理。2.如权利要求1所述的光片照明显微切片成像系统，其特征在于，所述光片照明成像装置包括照明模块与探测模块；照明模块用于形成光片照明样本，激发样本产生荧光；探测模块用于采集样本产生的荧光信号并成像；所述照明模块包括：沿光路方向依次设置的激光器、光束整形单元和照明物镜；所述激光器用于发出准直光，所述光束整形单元用于将所述激光器发出的准直光整形成为线光斑，所述照明物镜用于将所述光束整形单元整形所得的线光斑共轭到样本表面形成光片，照明样本；所述光束整形单元包括：激光扩束单元和光束压缩单元；所述激光扩束单元用于使得激光器发出的准直光在二维上得到扩束，扩束的尺寸由需要产生的照明光片宽度决定；所述光束压缩单元用于将准直光压缩成为线光斑；所述探测模块包括成像物镜、成像筒镜以及探测器；所述成像物镜用于对样本激发的荧光信号成像，所述成像筒镜与所述成像物镜相结合以校正所述成像物镜的像差，所述探测器用于拍摄并记录放大后的成像结果。3.如权利要求1所述的光片照明显微切片成像系统，其特征在于，所述样本表面切削装置包括刀具、刀托和刀架；所述刀具通过所述刀托固定于所述刀架上，用于在成像时切削样本表面。4.如权利要求1所述的光片照明显微切片成像系统，其特征在于，所述样本移动装置包括：精密三维移动平台，用于携带样本沿x、y、z方向移动，使得样本不同部分被所述样本切削装置切削并被所述光片照明成像装置照明成像，其中x方向为扫描或切削步进方向，y方向为一次切削完成后样本移动的方向，z方向为样本轴向。5.如权利要求2所述的光片照明显微切片成像系统，其特征在于，所述照明...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾绍群，骆清铭，张其，杨雄，白柯，李宁，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42