[發明專利]基于多層全息重建與聚焦策略的細胞群空間分布構建方法

有效

• 申請號: 201810136201.2
• 申請日: 2018-02-09
• 公開（公告）號: CN108364296B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 廖彥劍;羅洪艷;金變;朱子巖;葉東海;李川;李明勇;羅小剛
• 申請（專利權）人: 重慶東渝中能實業有限公司
• 主分類號: G06T7/11
• 分類號: G06T7/11;G06T7/136;G06T7/155;G06T7/30;G06T7/66;G06T7/50
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

本發明涉及一種基于多層全息重建與聚焦策略的細胞群空間場分布情況的構建方法，屬于數字全息成像應用領域。該方法包括：設定重建的起始距離、終止距離以及各層步長，逐層重建并記錄各層重建情況；對于某一層重建圖像進行灰度統計，使用對數正態分布擬合曲線的曲率極值設置灰度閾值并結合形態學處理手段提取目標物區域；建立細胞聚焦判斷函數，并經過相鄰層間同一細胞成像質心的跟蹤匹配后，添加聚焦最佳處的深度信息，構成細胞所處的空間位置；分別計算一幅全息圖中各個細胞的聚焦深度和對應層重建圖中的水平面質心投影，構建出細胞群的空間分布。本發明為多幅全息重建追蹤多細胞運動軌跡奠定了重要基礎，且普適于非細胞微觀物體的觀察測量。

技術領域

本發明屬于數字全息成像應用領域，涉及一種基于多層全息重建與物體聚焦策略的細胞空間場分布構建方法。

背景技術

在實際光學顯微觀察過程中，由于樣本往往具有一定的厚度，于是細胞的分布不僅具有平面投影的二維位置信息，還帶有縱向深度位置信息。細胞的活性強弱、是否凋亡、貼壁與否均會使之產生空間分布差異。此外光學顯微鏡的聚焦面分布在一個極窄的范圍內，難以保證視野下所觀測細胞同時得到良好的對焦。即便經過反復調焦操作，觀察人員往往也很難對大范圍的細胞空間分布有直觀的了解。

數字全息是近年來新興的一種精度可達微米級別的成像方法，可由CCD等光學元器件直接記錄獲取樣本圖像，具有全視場、非接觸、無損傷、實時性、定量化的優點。加之無需對樣本染色即可清晰成像，故特別適合于活體生物樣品的定量三維重建和快速跟蹤，得以在生物醫學應用領域尤其是細胞培養觀測中發展迅速。

全息圖的最大優點在于其自身作為二維圖像，但借助光的干涉、衍射作用，加以記錄距離、參考光波長等要素，能夠重建出目標物體在空間光場的三維分布信息。與光學顯微成像離焦、聚焦過程所類似的，通過改變重建距離，物體的成像情況亦會隨之改變，而成像效果最佳也就是物體得到聚焦的位置，其對應了物體距離成像面的距離，反映了物體的深度信息。

由于當物體得到良好聚焦時，重建圖的整體灰度亮，物體所占面積相對最小(幾乎等于實際尺寸所對應像素點數)，用以表征物體的像素點灰度相對最低。借此可以選為重要特征構建聚焦判據。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于多層全息重建與聚焦策略的細胞群空間分布構建方法，構建出樣本區域中細胞群的三維分布情況。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于多層全息重建與聚焦策略的細胞群空間分布構建方法，首先根據實際樣本需要設定重建的起始距離、終止距離以及各層步長，逐層重建并記錄各層重建情況；對于某一層重建圖像進行灰度統計，使用對數正態分布擬合曲線的曲率極值設置灰度閾值并結合形態學處理手段提取目標物或細胞區域；通過統計目標物重建后的平均灰度、占據面積以及該層重建后全息圖平均灰度值，建立細胞聚焦判斷策略，并經過相鄰層間同一細胞成像質心的跟蹤匹配后，添加聚焦最佳處的深度信息就構成了細胞所處的空間位置；當一幅全息圖中囊括了多個細胞時，分別計算得到各個細胞的聚焦深度以及對應層重建圖中的水平面質心投影，就構建出了樣本區域中細胞群的三維分布情況。

該方法具體包括以下步驟：

S1：讀入待重建全息圖，進行預處理；

S2：設置多層重建起始重建距離、終止重建距離以及層間步長；根據具體所使用的記錄光波，設置重建波長lamda；

S3：按照所設置重建條件，逐層對圖像完成重建，并對各層重建結果加以記錄；

S4：對某一層重建圖像進行像素灰度統計，并使用對數正態分布擬合灰度統計曲線，依據曲線曲率極值設置灰度閾值，完成圖像二值化，提取目標物或細胞大致區域；

S5：結合空域灰度信息，使用形態學手段將二值圖像進一步精確，使之盡可能貼合于物體在該層重建后的物像分布，去除非物體的干擾區域；