[發(fā)明專利]一種適用于光透明樣本的快速三維成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910649481.1
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110243827B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 龔輝;袁菁;寧可夫;張小宇
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N1/28;G06N3/04;G06T11/00
• 代理公司: 杭州宇信知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 33231
• 代理人: 張宇娟

本發(fā)明提供了一種適用于光透明樣本的快速三維成像方法，本發(fā)明方法包括：S1訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；S2樣本處理：對待成像樣本進(jìn)行光透明處理后固定；S3獲取淺層的光學(xué)層析圖像：獲取淺層的寬場圖像，輸入至訓(xùn)練完成的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得與寬場圖像同等數(shù)量同等尺寸的光學(xué)層析圖像；S4獲取整個光透明樣本的光學(xué)層析圖像。本發(fā)明方法利用高通量的寬場成像和快速的軸向掃描來獲取樣本的三維圖像，最后由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)出清晰完整的三維圖像，這種方法顯著加快了圖像拍攝速度，并且降低了光漂白效應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)和顯微成像技術(shù)，尤其是涉及一種適用于光透明樣本的快速三維成像方法。

背景技術(shù)

在利用光學(xué)顯微鏡對厚組織樣本進(jìn)行探測時，深層組織會對入射光產(chǎn)生嚴(yán)重的吸收和散射，導(dǎo)致成像深度有限。利用光透明方法可以使組織表現(xiàn)為較好的光透明特性，光入射進(jìn)組織不會發(fā)生較大的吸收或散射。目前適用于光透明樣本的成像方法主要是光片顯微鏡，然而該方法依賴兩個互相正交的光路對樣本進(jìn)行激發(fā)和探測，光路十分復(fù)雜并且不好調(diào)節(jié)。并且光片顯微鏡使用的物鏡多為長工作距離的空氣鏡，其數(shù)值孔徑NA值較低，分辨率不理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)不足，提出了一種適用于光透明樣本的快速三維成像方法。該方法對厚組織樣本進(jìn)行光透明處理，并利用高通量的寬場成像和快速的軸向掃描來獲取樣本的三維圖像，最后由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)出清晰完整的三維圖像，這種方法實現(xiàn)簡單，不涉及復(fù)雜的光路，成像速度快，并且對于組織深處也能實現(xiàn)清晰成像，分辨率能夠達(dá)到軸突分辨的級別。

為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供的一種適用于光透明樣本的快速三維成像方法，包括如下步驟：

S1訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：搭建基于編碼解碼的U型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用寬場照明顯微鏡和光學(xué)層析顯微鏡對同一樣本進(jìn)行軸向掃描三維成像，以獲得軸向的多張寬場圖像及光學(xué)層析圖像，所述光學(xué)層析顯微鏡成像的軸向間隔為x μm，所述寬場照明顯微鏡成像的軸向間隔為n×x μm(n≥2)，其中x、n均為正整數(shù)，將所述寬場圖像和光學(xué)層析圖像進(jìn)行拆分，取p張軸向間隔為nx μm的寬場圖像和(p-1)n+1張軸向間隔為x μm的光學(xué)層析圖像組成訓(xùn)練圖像對，拆分后的寬場圖像與光學(xué)層析圖像配準(zhǔn)到同一平面、像素一一對齊，其中p為正整數(shù)，然后用拆分后的訓(xùn)練圖像對訓(xùn)練所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以獲得訓(xùn)練完成的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；

S2樣本處理：對待成像樣本進(jìn)行光透明處理以獲得光透明樣本，并對其進(jìn)行固定；

S3獲取淺層的光學(xué)層析圖像：采用所述步驟S1中的寬場照明顯微鏡對所述光透明樣本的淺層進(jìn)行成像以獲得軸向間隔為n×x μm的p張所述淺層的寬場圖像，將所述淺層的寬場圖像按照所述步驟S1中的寬場圖像的尺寸進(jìn)行拆分后，輸入所述步驟S1中訓(xùn)練完成的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，最終輸出軸向間隔為x μm的(p-1)n+1張的等同尺寸的光學(xué)層析圖像，將本次輸出的光學(xué)層析圖像進(jìn)行拼接以獲得所述淺層的光學(xué)層析圖像；

S4獲取整個光透明樣本的光學(xué)層析圖像：判斷是否獲得整個光透明樣本的光學(xué)層析圖像，未全部獲得則將所述已獲得光學(xué)層析圖像的淺層切除以露出新的淺層后重復(fù)步驟S3，已全部獲得則結(jié)束。

進(jìn)一步的，所述步驟S1中U型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為編碼器部分和解碼器部分，編碼器由8層步長為2、卷積核為4×4的卷積層構(gòu)成，解碼器由與所述編碼器對稱的8層步長為2、卷積核為4×4的反卷積層構(gòu)成，且在每個編碼器和解碼器之間有跳躍連接，以使圖像先經(jīng)過編碼器的每個卷積層先降采樣2倍，再經(jīng)過解碼器的每個反卷積層升采樣2倍，最終恢復(fù)到原來的尺寸。

進(jìn)一步的，所述樣本的厚度大于1mm。

進(jìn)一步的，所述步驟S2具體為：將經(jīng)過光透明處理后的樣本包埋于瓊脂糖中，然后固定在充滿光透明試劑的水槽中。

進(jìn)一步的，所述進(jìn)行成像的淺層的厚度為50-100um。