一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法技术

本发明专利技术公开了一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，应用于光学三维显微成像技术领域。包括以下步骤：S1：将光源出射的光束经过光场调制器件调制，形成结构光照明光场照射在样品上；S2：被结构光照明的样品，经光学显微系统成像在面阵数字相机靶面，记录得到结构光照明的原始相移图像；S3：对每幅相移图像依次进行去背景处理和去卷积处理后进行光切片重构；S4：对样品所处的每个轴向位置上重复S1

【技术实现步骤摘要】
一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法


[0001]本专利技术涉及显微成像
，更具体的说是涉及一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法。

技术介绍

[0002]传统的光学显微镜存在一定成像景深，不具有直接三维显微能力。在景深范围内，焦面光线能对目标清晰成像，但离焦光线也能参与成像，形成模糊背景。在焦信息和离焦信息糅合在一起，往往难以区分，严重影响目标的分辨。目前有一些实现光切片的显微技术：光学相干断层层析(Optical Coherence Tomography)、激光扫描共聚焦显微(Laser Scanning Confocal Microscopy)、光片显微(Light Sheet Microscopy)、结构光照明光切片显微(Structured Illumination Microscopy for Optical Sectioning，简称OS
‑
SIM)。其中，OS
‑
SIM技术光路结构简单紧凑、成像速度快、光漂白和光毒性小，在活体细胞成像领域有显著优势，受到生物医学研究者广泛关注。1997年，Neil等人首次提出OS
‑
SIM技术原理，抑制了传统显微图像的离焦背景，重构出光切片图像。他们将一定频率的空间条纹投射到样品上，只有焦面附近的区域才能承载该条纹，而远离焦面的区域则不会受影响，依此可以实现在焦目标和离焦背景的区分。一般情况下，分别在样品上投射三个不同相位的结构条纹，对应采集三幅图像，再对这三幅图像进行快速的RMS(Root
‑
Mean
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Square，平方根)重构处理，就可以得到光切片图像。然而RMS算法存在明显的缺点：它需要三步相移图像之间两两相减。在条纹对比度低或图像信噪比低的情况下，会明显放大随机噪声，导致重构出的光切片图像质量较差，或者出现严重的残余条纹，甚至完全掩盖样品细节；由于RMS算法完全忽略了图像背景噪声随时间的起伏和系统PSF的调制，不可避免地带来了成像偏差。这些缺点使得OS
‑
SIM的应用场景受到限制，特别是难以在通常显微场景，如随机噪声和背景光都较强的环境下使用。因此如何提供一种能够得到更高质量光切片图像的重构方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供了一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，减少图像背景噪声和系统PSF调制对重构的影响，重构出传统方法不能恢复的样品细节结构。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，包括以下步骤：
[0006]S1、将光源出射的光束经过光场调制器件调制，形成结构光照明光场照射在样品上；
[0007]S2、被结构光照明的样品，经光学显微系统成像在面阵数字相机靶面，记录得到结构光照明的原始相移图像；
[0008]S3、对每幅相移图像依次进行去背景处理和去卷积处理后进行光切片重构；
[0009]S4、对样品所处的每个轴向位置上重复S1
‑
S3，重构得到每个轴向位置的光切片图像，对每个轴向位置重构后的光切片图像进行三维渲染，得到样品的三维图像。
[0010]可选的，S1中的结构光照明光场的光强分布满足一维余弦函数分布、二维正方形点阵列函数分布、环形函数分布中的一种。
[0011]可选的，结构光照明光场的光强分布满足一维余弦函数分布时，S1中光源光束经过光场调制器件的调制后，形成结构光场照明样品，在样品上以相移量产生3个不同相移的结构光场，其初相位分别为和成像后得到3幅相移图像；
[0012]结构光照明光场的光强分布满足二维正方形点阵列函数分布时，在样品上以二维正方形点阵的1/3周期作为位移量先后沿x和y方向各移动3次，产生9个不同位置的结构光场，其初相位分别为构光场，其初相位分别为构光场，其初相位分别为成像后得到9幅相移图像；
[0013]结构光照明光场的光强分布满足环形函数分布时，在样品上以径向相移量产生3个不同相移的结构光场，其初相位分别为和成像后得到3幅相移图像。
[0014]可选的，结构光照明光场的光强分布满足一维余弦函数分布时，重构公式为：
[0015][0016]其中，
[0017]式中，D
cg
(r)为重构后的图像，r为平面一维坐标，D'1(r)、D'2(r)、D'3(r分别表示3幅光强分布满足一维余弦函数分布的结构光照明相移图像经去背景和去卷积处理后的图像，其初相位分别为
[0018]结构光照明光场的光强分布满足二维正方形点阵列函数分布时，重构公式为：
[0019][0020]其中，
[0021]式中，D
cg
(x,y)为重构后的图像，x,y为平面二维坐标，Dm
,n
'(x,y)表示9幅光强分布满足二维正方形点阵列函数分布的结构光照明相移图像经去背景和去卷积处理后的图像，其初相位分别为像，其初相位分别为像，其初相位分别为
[0022]结构光照明光场的光强分布满足环形函数分布时，重构公式为：
[0023][0024]其中，
[0025]式中，D
cg
(x,y)为重构后的图像，(x,y)为平面二维坐标，D'1(x,y)、D'2(x,y)、D'3(x,y)分别表示3幅满足环形函数分布的结构光照明相移图像经去背景和去卷积处理后的图像，其初相位分别为
[0026]可选的，S2中获得的结构光照明相移图像由被调制的在焦成分和未调制的离焦成分组成。
[0027]可选的，S3中的去背景处理为祛除离焦成分，去背景处理方法采用低通滤波、滚球去背景、样条曲面线性回归中的一种。
[0028]可选的，S3中的去卷积处理方法为Lucy
‑
Richardson算法、Wiener滤波算法、盲去卷积算法中的一种。
[0029]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，具有以下有益效果：
[0030]1、使用了去背景算法对原始结构光图像进行预处理，显著缓解了离焦背景噪声对成像的干扰，有效提升了光切片图像的重构质量；
[0031]2、将系统点扩散函数PSF对成像的影响考虑在内，利用去卷积算法增强原始结构光图像质量，突出样品细节结构；
[0032]3、对去背景和去卷积处理后的原始结构光图像进行光切片重构，重构方式有别于传统算法，可以重构出传统方法不能恢复的样品细节结构。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将光源出射的光束经过光场调制器件调制，形成结构光照明光场照射在样品上；S2、被结构光照明的样品，经光学显微系统成像在面阵数字相机靶面，记录得到结构光照明的原始相移图像；S3、对每幅相移图像依次进行去背景处理和去卷积处理后进行光切片重构；S4、对样品所处的每个轴向位置上重复S1
‑
S3，重构得到每个轴向位置的光切片图像；对每个轴向位置重构后的光切片图像进行三维渲染，得到样品的三维图像。2.根据权利要求1所述的一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，其特征在于，S1中的结构光照明光场的光强分布满足一维余弦函数分布、二维正方形点阵列函数分布、环形函数分布中的一种。3.根据权利要求2所述的一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，其特征在于，结构光照明光场的光强分布满足一维余弦函数分布时，S1中光源光束经过光场调制器件的调制后，形成结构光场照明样品，在样品上以相移量产生3个不同相移的结构光场，其初相位分别为移的结构光场，其初相位分别为和成像后得到3幅相移图像；结构光照明光场的光强分布满足二维正方形点阵列函数分布时，在样品上以二维正方形点阵的1/3周期作为位移量先后沿x和y方向各移动3次，产生9个不同位置的结构光场，其初相位分别为场，其初相位分别为场，其初相位分别为成像后得到9幅相移图像；结构光照明光场的光强分布满足环形函数分布时，在样品上以径向相移量产生3个不同相移的结构光场，其初相位分别为和成像后得到3幅相移图像。4.根据权利要求3所述的一种高保真结构光照明光切片三维显微图像的重构方法，其特征在于，结构光照明光场的光强分布满足一维余弦函...

【专利技术属性】
技术研发人员：但旦，姚保利，谢贤峰，千佳，闵俊伟，严绍辉，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：