[發(fā)明專利]細胞圖像超分辨率重構(gòu)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410040294.0
• 申請日: 2014-01-27
• 公開（公告）號: CN103903235B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 余寧梅;張洋;時小雨;任茹
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號: G06T5/50
• 分類號: G06T5/50
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所61214
• 代理人: 李娜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是屬于微流體重構(gòu)方法技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種細胞圖像超分辨率重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

近年來，一種新興的芯片技術(shù)——微流控芯片技術(shù)以它獨有的快速分析、低功耗、微型化和自動化而發(fā)展非常迅速。它具有流體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成百倍提高等優(yōu)點，可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析。這使得其在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域漸漸展現(xiàn)了它獨有的迷人魅力和發(fā)展前景。

眾所周知，在當(dāng)今的生物醫(yī)學(xué)的研究中，生物細胞的觀察研究一直是處于一個很重要的地位。通過對細胞運動圖像序列的觀察研究，我們可以觀測到細胞的表型變化和動態(tài)行為，并對細胞進行分類和計數(shù)，給醫(yī)學(xué)診斷提供良好的依據(jù)。但是現(xiàn)有的觀察細胞的顯微鏡設(shè)備過于龐大和昂貴，而且觀察細胞只能在玻片上或是玻璃器皿上進行觀察，這使得我們觀察不到了細胞的最重要的生命特性之一——流動性。種種的這些缺陷，在微流控芯片的技術(shù)出現(xiàn)后，都給醫(yī)學(xué)界帶來了一個新的希望，和即將發(fā)生的重大變革。

微流控芯片中的微通道一般寬度為10～50納米左右，它與生物細胞的大小相當(dāng)。而且可以通過可控制的壓力等方法，使得生物細胞在微通道內(nèi)非常容易被操縱、觀察和檢測，而且他克服了現(xiàn)有設(shè)備中檢測系統(tǒng)過于龐大、檢測過程復(fù)雜、檢測周期長、必須在相應(yīng)的實驗室中檢測的等等眾多缺點，它完全可以達到低成本，低功耗，并可在個人家或是不具備建立實驗室條件的邊遠地區(qū)進行初步的快速診斷。基于這些誘人的優(yōu)點，一個新的研究方向應(yīng)運而生并發(fā)展越來越迅速——Optofluidic Microscope。

最早由加州理工大學(xué)，研制出了OFM系統(tǒng)，并得到了蠕蟲在微通道內(nèi)的圖像，他利用了光學(xué)的衍射原理，在微通道和傳感器之間做了一層帶有點陣的不透光層。但是該OFM系統(tǒng)工藝復(fù)雜，必須需要光的垂直照射，而且分辨率有限制。所以后來在此基礎(chǔ)上又誕生了SROFM系統(tǒng)，它不需要微通道和傳感器之間的那層復(fù)雜工藝，而且在自然光下就可以工作，直接用傳感器采集軌道內(nèi)的一個1:1的圖像序列，然后利用超分辨率方法，得到高分辨率的圖像，使得分辨率可以達到比OFM更小。

超分辨率重構(gòu)的主要思想旨在利用低分辨率圖像序列通過信號估計理論來生成高分辨率圖像。目前，在SROFM系統(tǒng)中用到的圖像超分辨率重構(gòu)算法中，主要分為基于多幀的超分辨率重構(gòu)算法和基于單幀的超分辨率重構(gòu)算法。基于多幀的超分辨率重構(gòu)算法是將相鄰的多幅低分辨率圖像信息集合起來，把有用的信息進行整合得到一幅單獨的超分辨率圖像。基于單幀的超分辨率重構(gòu)是利用原圖像中相鄰像素點的不同方向的相關(guān)信息通過相應(yīng)的差值來實現(xiàn)超分辨率重構(gòu)。基于多幀的超分辨率重構(gòu)算法需要很大的存儲空間來對相鄰幀的像素信息進行存儲，比如實驗中就用到了50幀的圖像進行了超分辨率重構(gòu)，這遠遠不能滿足圖像處理的實時性要求。基于單幀的超分辨率重構(gòu)算法能夠滿足實時性要求，但是在對細胞圖像進行放大時，由于只采用了細胞周圍相鄰一部分像素的信息，因此放大后細胞的表型特征并不能得到很好的體現(xiàn)。

不管是多幀超分辨重構(gòu)算法，還是單幀超分辨率重構(gòu)算法都是重構(gòu)出一種能夠充分顯示出細胞特征信息的方法，而不是真正的還原出真實細胞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種細胞圖像超分辨率重構(gòu)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)需要大的存儲空間，復(fù)雜的追蹤過程，且不能滿足圖像處理的實時性要求的問題，以及傳統(tǒng)的基于單幀的超分辨率重構(gòu)算法放大后細胞的表型特征不能得到很好的體現(xiàn)的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，細胞圖像超分辨率重構(gòu)方法，通過微流體顯微鏡系統(tǒng)得到1:1的低分辨率的細胞圖像序列，然后從中分割出超分辨率重構(gòu)所需的N個同類細胞圖像，并利用這些低分辨率的細胞圖像信息來重構(gòu)出高分辨率的細胞圖像信息。

本發(fā)明的特點還在于：

具體包括以下步驟：

步驟1，通過CMOS圖像傳感器獲得低分辨率的細胞圖像序列；

步驟2，在當(dāng)前幀中搜索到超分辨率重構(gòu)所需要的n個樣本細胞，把細胞從背景中分割并提取出來；

步驟3，搜索到n個細胞后，根據(jù)這n個細胞的信息來對目標(biāo)細胞進行超分辨率重構(gòu)。

上述步驟3包括：

(1)從分割出來的細胞中取出一個作為待插值的參考細胞A并做成一個n-1倍的網(wǎng)格，待插值的參考細胞A的像素值放在每個網(wǎng)格單元的左上端；