自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法。本发明专利技术首先通过多级频谱协同估计的方法对频率矢量进行估计，极大的提高了低信噪比、低调制度情况下参数估计的稳定性与准确性，避免了参数估计错误带来的伪影；同时通过构建三维陷波函数和两步空间频域滤波，极大的降低了由于频谱尖峰和高频噪声等因素带来的重建伪影，同时提高了图像的分辨率；本发明专利技术在保真度、伪影抑制和散焦信号消除等方面优于其他算法，尤其是在低信噪比情况下有突出的重建效果。比情况下有突出的重建效果。比情况下有突出的重建效果。

【技术实现步骤摘要】
自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法


[0001]本专利技术涉及荧光显微成像技术，具体涉及一种自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法。

技术介绍

[0002]由于光毒性低、成像速度快等优势，结构化照明显微镜(SIM)被广泛用于观察亚细胞结构和细胞间互作。SIM通过结构光编码样本的高频信息，通过频谱搬移进行图像融合，从而进行图像的超分辨重构。然而，现有的SIM软件通常只能重建2D或单层3DSIM，如Fair
‑
SIM和HiFi
‑
SIM，但由于光学传递函数中存在的漏锥问题，2D或单层3DSIM算法在针对厚样本的重建中极易产生离焦背景与伪影。
[0003]而现有的多层3DSIM算法中对低信噪比的参数估计往往依赖于初始参数的选择，稳定性较差，同时其重建结果中严重的伪影问题也极大地限制了3DSIM的进一步发展。因此，发展一种自适应的稳定参数估计方法，通过优化频谱以去除重建伪影的多层三维结构光照明显微成像重建方法成为一种迫切的需要。

技术实现思路

[0004]针对3DSIM算法伪影较多的问题，本专利技术提出了一种自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法。
[0005]本专利技术的自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法，包括以下步骤：
[0006]1)得到原始图像栈：
[0007]结构光对样品的照射具有M个调制方向，每一个调制方向具有N个相位，在每一个调制方向上的每一个相位均采集一张原始图像，从而在样本的一层得到M
×
N张原始图像，利用平移升降台驱动样本进行z方向的逐层扫描，得到一共T层图像序列，并在每一层的每个调制方向上取5个不同相位，构成包含M
×5×
T张原始图像的原始图像栈；
[0008]2)采用多级估计法对频率矢量进行估计：
[0009]a)计算每一层图像序列的调制对比度，并将所有的T层图像序列以调制对比度作为权重进行加权求和，得到一层调制对比度最高的图像序列，此单层图像序列包括M
×
5张原始图像；
[0010]b)将对比度最高的图像序列中的每长原始图像进行多次反卷积处理，从而突出结构光调制后样本的高频频率峰值点，接着设置初始相位为0，对每个调制方向的结构光调制后的5张原始图像利用二维相位分离矩阵进行分离频谱，得到
±
2，
±
1,0级共5个二维频谱分量C
2Dn
(k
x,y
),n＝0,
±
1,
±
2，k
x,y
为xoy平面的频谱的单位矢量；
[0011]c)估计结构光照明条纹的频率矢量p
θ
：
[0012]根据步骤b)得到的0,
±
1,
±
2级二维频谱分量，采用+2，+1级频谱对结构光照明条纹的频率矢量估计进行逐级估计；
[0013]i.通过+2级频谱进行频率矢量估计：
[0014]通过+2级频谱与0级频谱的互相关迭代操作，估计M个调制方向上的结构光照明条纹的频率矢量分别为通过反余弦函数定义求得频率矢量所对应的空间角度为θ＝θ1,θ2,
…
,θ
M
；
[0015]ii.建立评价指标：
[0016]由于理想的正确的频率矢量的模值应当相等，其空间角度应当相差2π/M，与该标准相差越大，说明频率矢量估计的准确度越低，因此建立第一和第二评价指标E1和E2，分别表征频率矢量p
θ
和空间角度的估计准确程度，频率矢量的模值越接近且角度之差越均匀，证明通过n级频谱进行频率矢量估计的结果越准确，其中第一评价指标第二评价指标E2＝std{|θ2‑
θ1|,|θ3‑
θ2|,
…
,|θ1‑
θ
M
|}，std为方差符号；并且，设置第一和第二标准阈值E1_max和E2_max；
[0017]iii.估计判定：
[0018]如果满足判定条件E1≤E1_max且E2≤E2_max则证明通过+2级频谱估计的频率矢量正确，则得到估计的频率矢量并得到频率矢量所对应的空间角度，进入步骤3)；
[0019]如果E1>E1_max或E2>E2_max则证明通过+2级频谱估计的频率矢量不正确，由于结构光照明条纹的+1级条纹的调制度的强度通常强于+2级条纹的调制度，因此若通过+2级频谱的频率估计不正确，则采用+1级频谱进行协同估计，通过+1级频谱与0级频谱的互相关迭代操作估计频率矢量，并建立相应的第一和第二评价指标，如果满足判定条件，则得到估计的频率矢量并得到频率矢量所对应的空间角度，进入步骤3)；
[0020]如果通过+2和+1级频谱估计的频率矢量都无法满足判定条件E1≤E1_max且E2≤E2_max，则选择最小的级次估计的频率矢量，并得到频率矢量所对应的空间角度，进入步骤3)；
[0021]对所有调制方向上的频率矢量的模求均值得到xoy平面的调制频率矢量的模值
[0022][0023]3)通过级次之间的强度关系估计不同角度结构光的调制深度m；并且通过级次之间重叠部分的复数差异估计不同角度的结构光的初始相位
[0024]4)基于输入的物理参数仿真出三维光转换函数(OTF)或直接输入实验测得的三维OTF；
[0025]5)进行频域分离：
[0026]a)三维结构光强度的空间分布表示为
[0027]其中x,y,z分别为三维空间上xyz方向的单位矢量，r为xoy平面的极坐标的极径，I0表示光强大小，m表示调制深度，和分别表示xoy平面和yoz平面的调制频率矢量的模值，ψ是光束的入射角，λ为激发波长，n0为介质折射率，根据
[0028]求得光束的入射角ψ，再根据得到yoz平面的调制频率矢量
p
z
，整理得到从而结构光表示为基频信号、一次谐波与二次谐波的组合，a0＝1+2m2，a
1z
(z)＝a1cos2πp
z
z，a1＝4m，a2＝2m2，a0、a
1z
(z)和a2分别为基频信号的权重、一次谐波的权重和二次谐波的权重，其中只有一次谐波的权重与z有关；
[0029]b)当结构光照射到样本上时，相机接收的荧光分布即原始图像表示为
[0030]其中，S(r,z)表示样本本身的荧光分布，H(r,z)表示三维点拓展函数；将其变换到三维频域得到
[0031][0032]其中H(k
x,y
,k
z
)为三维频域点拓展函数，S(k
x,y
,k
z
)为频域荧光分布，k
x,y
和k
z
分别为xoy平面和yoz平面的频谱的单位矢量，由于a
1z
(z)在z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应低伪影的多层三维结构光超分辨显微成像重建方法，其特征在于，所述成像重建方法包括以下步骤：1)得到原始图像栈：结构光对样品的照射具有M个调制方向，每一个调制方向具有N个相位，在每一个调制方向上的每一个相位均采集一张原始图像，从而在样本的一层得到M
×
N张原始图像，利用平移升降台驱动样本进行z方向的逐层扫描，得到一共T层图像序列，并在每一层的每个调制方向上取5个不同相位，构成包含M
×5×
T张原始图像的原始图像栈；2)采用多级估计法对频率矢量进行估计：a)计算每一层图像序列的调制对比度，并将所有的T层图像序列以调制对比度作为权重进行加权求和，得到一层调制对比度最高的图像序列，此单层图像序列包括M
×
5张原始图像；b)将对比度最高的图像序列中的每长原始图像进行多次反卷积处理，从而突出结构光调制后样本的高频频率峰值点，接着设置初始相位为0，对每个调制方向的结构光调制后的5张原始图像利用二维相位分离矩阵进行分离频谱，得到
±
2，
±
1,0级共5个二维频谱分量C
2Dn
(k
x,y
),n＝0,
±
1,
±
2，k
x,y
为xoy平面的频谱的单位矢量；c)估计结构光照明条纹的频率矢量p
θ
：根据步骤b)得到的0,
±
1,
±
2级二维频谱分量，采用+2和+1级频谱对结构光照明条纹的频率矢量估计进行逐级估计；i.通过+2级频谱进行频率矢量估计：通过+2级频谱与0级频谱的互相关迭代操作，估计M个调制方向上的结构光照明条纹的频率矢量分别为通过反余弦函数定义求得频率矢量所对应的空间角度为θ＝θ1,θ2,
…
,θ
M
；ii.建立评价指标：由于理想的正确的频率矢量的模值应当相等，其空间角度应当相差2π/M，与该标准相差越大，说明频率矢量估计的准确度越低，因此建立第一和第二评价指标E1和E2，分别表征频率矢量p
θ
和空间角度的估计准确程度，频率矢量的模值越接近且角度之差越均匀，证明通过n级频谱进行频率矢量估计的结果越准确，其中第一评价指标第二评价指标E2＝std{|θ2‑
θ1|,|θ3‑
θ2|,
…
,|θ1‑
θ
M
|}，std为方差符号；并且，设置第一和第二标准阈值E1_max和E2_max；iii.估计判定：如果满足判定条件E1≤E1_max且E2≤E2_max则证明通过+2级频谱估计的频率矢量正确，则得到估计的频率矢量并得到频率矢量所对应的空间角度，进入步骤3)；如果E1>E1_max或E2>E2_max则证明通过+2级频谱估计的频率矢量不正确，由于结构光照明条纹的+1级条纹的调制度的强度通常强于+2级条纹的调制度，因此若通过+2级频谱的频率估计不正确，则采用+1级频谱进行协同估计，通过+1级频谱与0级频谱的互相关迭代操作估计频率矢量，并建立相应的第一和第二评价指标，如果满足判定条件，则得到估计的频率矢量并得到频率矢量所对应的空间角度，进入步骤3)；如果通过+2和+1级频谱估计的频率矢量都无法满足判定条件E1≤E1_max且E2≤E2_
max，则选择最小的级次估计的频率矢量，并得到频率矢量所对应的空间角度，进入步骤3)；对所有调制方向上的频率矢量的模求均值得到xoy平面的调制频率矢量的模值3)通过级次之间的强度关系估计不同角度结构光的调制深度m；并且通过级次之间重叠部分的复数差异估计不同角度的结构光的初始相位4)基于输入的物理参数仿真出三维光转换函数OTF或直接输入实验测得的三维OTF；5)进行频域分离：a)三维结构光强度的空间分布表示为的空间分布表示为其中x,y和z分别为三维空间上xyz方向的单位矢量，r为xoy平面的极坐标的极径，I0表示光强大小，m表示调制深度，和分别表示xoy平面和yoz平面的调制频率矢量的模值，ψ是光束的入射角，λ为激发波长，n0为介质折射率，根据求得光束的入射角ψ，再根据得到yoz平面的调制频率矢量p
z
，整理得到，整理得到从而结构光表示为基频信号、一次谐波与二次谐波的组合，a0＝1+2m2，a
1z
(z)＝a1cos2πp
z
z，a1＝4m，a2＝2m2，a0、a
1z
(z)和a2分别为基频信号的权重、一次谐波的权重和二次谐波的权重，其中只有一次谐波的权重与z有关；b)当结构光照射到样本上时，相机接收的荧光分布即原始图像表示为b)当...

【专利技术属性】
技术研发人员：席鹏，曹睿杰，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：