[發明專利]基于圖像強度各階導數的熒光顯微圖像3D重建方法及裝置

有效

• 申請號: 201410455724.5
• 申請日: 2014-09-09
• 公開（公告）號: CN104268929B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 王瑜;姜歡
• 申請（專利權）人: 北京工商大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 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: 張大威

技術領域

本發明涉及圖像處理和計算機視覺技術領域，具體涉及一種基于圖像強度各階導數的熒光顯微圖像3D重建方法及其裝置。

背景技術

近年來，熒光顯微圖像3D復原或重建一直是圖像處理與計算機視覺領域里一項具有挑戰性的工作，并已證明在生物、醫學和生命科學研究中具有重要價值。

使用寬場顯微鏡和反卷積技術進行熒光顯微圖像棧的計算重建是日前非常流行的一種3D重建技術之一。其優點為寬場顯微鏡成本低廉，靈活性好，可以在獲取圖像后隨時進行計算機處理，以及與共焦顯微鏡相比速度更快等優勢，但該技術的缺點在于：即便對一個厚度僅為幾微米的薄樣本進行重建，也要預先做幾百片光學切片，并進行成像和計算，這將是一件非常復雜，繁瑣以及耗時的工作。而對于較厚的生物樣本，由于低信噪比，光裂解，光漂白等現象在長時間成像過程中經常會出現，導致獲取完整的光學圖像棧幾乎是件無法完成的事情。此外，這種技術的圖像分辨率尤其是軸向分辨率會受到光學衍射的限制。

共焦顯微鏡由于層析性質可以呈現深度1微米左右的立體圖像，尤其是近來雙光子和多光子技術的發展以后，共焦顯微鏡方法應用更加廣泛。但是共焦顯微鏡方法的信噪比和效率由于針孔裝置的使用及其低下。

因此，設計并實現一種低成本、高效率、高質量的熒光顯微圖像3D重建方法非常重要，也非常迫切。

發明內容

本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決了現有的熒光顯微圖像3D重建方法在光切圖像數目偏少時重建結果不準確的缺點。

為達到上述目的，本發明一方面提供一種基于圖像強度高階導數的熒光顯微圖像3D重建方法，可以包括以下步驟：A.輸入熒光顯微圖像棧，所述熒光顯微圖像棧包括多幅軸向光切圖像；B.確定高階導數的階數N，N為正整數；C.將所述熒光顯微圖像堆棧劃分為多個軸向光切圖像組，每個所述軸向光切圖像組中包括數目大于N幅連續的所述軸向光切圖像；D.對所述軸向光切圖像組，以組內第一幅軸向光切圖像為基準圖像，計算所述基準圖像處的各階導數；E.利用所述基準圖像和步驟D獲得的各階導數，求取新增軸向位置對應的新增光切圖像；以及F.根據原始的所述熒光顯微圖像棧和步驟E獲得的所述新增光切圖像，重建熒光顯微圖像3D結構。

為達到上述目的，本發明另一方面提供一種基于圖像強度高階導數的熒光顯微圖像3D重建裝置，包括以下部分：圖像輸入模塊，用于輸入熒光顯微圖像棧，所述熒光顯微圖像棧包括多幅軸向光切圖像；階數確定模塊，用于確定高階導數的階數N，N為正整數；分組模塊，所述分組模塊與所述圖像輸入模塊和所述階數確定模塊相連，用于將所述熒光顯微圖像堆棧劃分為多個軸向光切圖像組，每個所述軸向光切圖像組中包括數目大于N幅連續的所述軸向光切圖像；導數計算模塊，所述導數計算模塊與所述分組模塊相連，用于對所述軸向光切圖像組，以組內第一幅軸向光切圖像為基準圖像，計算所述基準圖像處的各階導數；新圖生成模塊，所述新圖生成模塊與所述導數計算模塊相連，用于利用所述基準圖像和所述導數計算模塊獲得的各階導數，求取新增軸向位置對應的新增光切圖像；以及重建模塊，所述重建模塊與所述圖像輸入模塊和所述新圖生成模塊相連，用于根據原始的所述熒光顯微圖像棧和所述新圖生成模塊獲得的所述新增光切圖像，重建熒光顯微圖像3D結構。

本發明實施例的熒光顯微圖像3D重建方法和裝置，可以克服原有熒光顯微圖像棧獲取時間過長易發生光裂解和光漂白現象等困難，以及數量缺乏等缺點，此外，該方法利用計算機后期處理完成，可以避免光學儀器成像過程時間過長產生的其他不利突發事件的影響，最后，該方法不僅可以應用于成本低廉的寬場顯微鏡，同時也可以應用于任意其他光學成像系統，例如共焦顯微鏡，能夠更加快速地獲得更加準確的熒光顯微圖像3D結構。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為熒光顯微圖像棧以及軸向光切圖像的示意圖。

圖2為本發明實施例的基于圖像強度各階導數的熒光顯微圖像3D重建方法的流程圖。

圖3為將熒光顯微圖像堆棧劃分為多個軸向光切圖像組的示意圖，其中(a)為不交疊劃分情況，(b)為交疊劃分情況。

圖4為本發明實施例的基于圖像強度各階導數的熒光顯微圖像3D重建裝置的結構框圖。