[發明專利]一種微觀光場采集與三維重建方法及裝置

有效

• 申請號: 201010199905.8
• 申請日: 2010-06-08
• 公開（公告）號: CN101865673A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 戴瓊海;王瑜
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

技術領域

本發明涉及計算機應用技術和信號處理領域，具體涉及一種微觀光場采集與三維重建方法及裝置。

背景技術

以三維形式觀察、分析和理解細胞等微觀樣本的組織結構是國內外專家學者的研究熱點，微觀光場采集與三維重建可以實現微觀樣本的三維成像及可視化。

目前，可以實現微觀樣本三維成像及可視化的光學成像系統主要包括體式顯微成像系統、3D-X射線顯微成像系統和共焦顯微成像系統。其中，體式顯微成像系統利用雙目鏡筒中左右兩光束不并行產生的體式角，為左右兩眼提供具有立體感的圖像，該種顯微成像系統產生的放大倍率不如常規顯微成像系統，主要用于工業用途，且由于集中適應性沖突(convergence-accommodation?conflict)而容易引起人體視覺疲勞。

3D-X射線顯微成像系統需要使用X射線做光源，對樣本損傷很大，且由于需要樣本在工作臺上旋轉，采集幾百到上千幅圖像用于三維建模，一般需要半小時到一小時左右，再加上后期三維建模時間，整體耗時很長。

共焦顯微成像系統是目前最為普遍使用的科研型顯微鏡，其成像系統利用物鏡和探測器之間的針孔裝置，確保只有聚焦平面的光子才能通過針孔，順利到達探測器，極大減少了非聚焦平面的光線對所成圖像的模糊影響。由于共焦裝置具有很強的層析能力，因而可以直接獲得清晰的三維微觀樣本圖像，并且可以檢測到樣本內部很深的位置，尤其適合檢測晶胚等厚組織樣本。

但是共焦顯微成像系統有很多限制：

1)價格及其昂貴，一般為幾十萬美元。

2)針孔裝置使得探測器探測到的光子數量及其微少，因而圖像對比度遠不如寬場顯微成像系統。

3)針孔裝置的使用決定每次只能對樣本的一個點進行聚焦成像，即使有更加先進的針孔裝置出現，可以同時對多個點進行成像，效率也同樣非常低下。

4)共焦顯微成像系統以激光作為光源，會使承載在樣本中的熒光探針發生光漂白和光裂解，且嚴重影響活體樣本的存活能力。

針對現有三維顯微成像系統難以兼顧圖像高質量、樣本無損傷、處理高效率、設備低成本和人體舒適感等多種需求的現狀，設計并實現能同時滿足這些需求的三維顯微成像系統，具有非常重要的意義。

發明內容

本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別針對利用微觀光場的透射屬性和寬場顯微光學成像系統，多截面高密度采集微觀光場，獲得二維圖像棧，利用三維重建方法，再現微觀樣本的三維結構本，提出了一種微觀光場采集與三維重建方法及裝置。

為實現上述目的，本發明實施例的一方面公開了一種微觀光場采集與三維重建方法，包括如下步驟：

通過控制微觀樣本沿光軸方向的微量移動，采集并記錄所述微觀樣本的光場信息以得到圖像棧；

根據得到的所述圖像棧及所述圖像棧對應的Poisson模型構建統計理論模型，并根據微觀樣本的梯度場稀疏特性構建壓縮感知理論模型；

根據所述統計理論模型和壓縮感知理論模型建立聯合模型，并利用所述聯合模型得到微觀樣本重建公式，對該公式進行迭代求解以獲得微觀樣本的三維結構。

本發明實施例的另一方面公開了一種微觀光場采集與三維重建裝置，包括微觀光場采集模塊和三維重建模塊。

其中，所述微觀光場采集模塊，用于通過控制微觀樣本沿光軸方向的微量移動，采集并記錄所述微觀樣本的光場信息以得到圖像棧，所述微觀光場采集模塊包括工作臺、寬場顯微鏡、載物臺運動控制器、光源和制冷數碼電荷耦合元件；

所述三維重建模塊，用于根據得到的所述圖像棧及所述圖像棧對應的Poisson模型構建統計理論模型，并根據微觀樣本的梯度場稀疏特性構建壓縮感知理論模型；根據所述統計理論模型和壓縮感知理論模型建立聯合模型，并利用所述聯合模型得到微觀樣本重建公式，對該公式進行迭代求解以獲得微觀樣本的三維結構。

本發明實施例提供的微觀光場采集與三維重建方法及裝置與其它直接顯示樣本三維結構的顯微光學成像系統包括體式顯微成像系統、3D-X射線成像系統和共焦成像系統相比，具有如下優點：

1)普適性更強。本發明提供的方法使用寬場顯微成像系統采集微觀光場，設備結構相對簡單。例如無需共焦成像系統的針孔裝置和激光光源，以及3D-X射線顯微成像系統的X射線光源。研究者可以直接觀測到微觀樣本的全局圖像，而不是像共焦系統由局部掃描組合成全局圖像，效率更高。激光光源和X射線光源一方面增加了實驗條件的苛刻性，另一方面更容易引起對光照敏感的活體樣本受到光損傷。