[發明專利]一種集成在圖像傳感器中提高細胞分辨率的系統與方法

有效

• 申請號: 202010228210.1
• 申請日: 2020-03-27
• 公開（公告）號: CN111405183B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 呂楠;余寧梅;張鶴玖;王凱;盧思汀
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H04N5/232
• 分類號: H04N5/232;H04N5/235
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 楊洲

本發明公開了一種集成在圖像傳感器中提高細胞分辨率的系統與方法，通過過采樣技術得到具有細胞亞像素信息的超分辨率模糊圖像，再通過流水處理乘加電路實現時域反卷積，還原得到圖像質量較好的超分辨率圖像。本發明有效解決現有超分辨率重構算法中物體運動函數復雜和硬件實現存儲空間大而導致的集成度低等問題，在像素尺寸相同的情況下，本發明比傳統TDI圖像傳感器采集得到的細胞圖像具有更高的分辨率。此外，本發明有效提高了光流體顯微鏡系統的集成度。

技術領域

本發明屬于應用于光流體顯微鏡(Optofluidic Microscope，OFM)中時間延遲積分(Time Delay Integration，TDI)型金屬氧化物半導體(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)圖像傳感器的技術領域，具體涉及到一種集成在TDI CMOS圖像傳感器芯片內部，利用過采樣累加技術和時域反卷積技術采集具有細胞亞像素位移信息并還原為超分辨率細胞圖像的系統，本發明還涉及采用上述系統提高細胞圖像分辨率的方法。

背景技術

光流體顯微鏡的出現和迅速發展克服了傳統光學顯微鏡核心部件(物鏡)體積較大和操作復雜等因素的限制使得臨床醫學診斷在小型診所和個人家庭得到普及成為了可能。OFM具有微型化、低功耗、低成本等優點，目前這種芯片級的“顯微鏡”已經成為了生物、化學、醫學、流體力學、微電子學、材料學、機械學等眾多學科研究的熱點問題。

現階段，CMOS圖像傳感器像素尺寸與人體90％以上的細胞大小處于同一量級，因此通過OFM系統直接采集到的細胞圖像分辨率非常低，難以滿足醫療診斷和醫學研究的需求。因此提高圖像分辨率是OFM系統的研究重點之一。

已有提高圖像分辨率的方法旨在利用低分辨率圖像通過信號估計理論來生成高分辨率圖像，主要分為兩個方面：基于多幀圖像的超分辨率重構算法和基于單幀的超分辨率重構算法。其中，基于單幀圖像的超分辨率算法核心就是對單幀圖像進行插值重構，包括近鄰插值、線性插值、雙三次插值、樣條插值等。基于單幀圖像的超分辨率算法雖然結構簡單，便于集成且滿足實時處理，但只能在一定程度上提高視覺效果，并不能獲得包含細胞的更多真實信息。而基于多幀圖像的超分辨率算法則是通過多次采集在微通道運動的同一細胞，獲得具有亞像素位移的細胞信息，再根據物體運動函數將多幀圖像信息整合得到一幅單獨的超分辨率圖像，如迭代反投影算法、凸集投影算法，最大后驗概率算法等。基于多幀圖像的超分辨率算法是目前主流的分辨率提高算法，然而該方法的分辨率提高效果取決于追蹤目標和運動函數。為了滿足市場應用，提高OFM的集成度就要求將基于多幀圖像的超分辨率算法集成在芯片內部。但是，一方面需要存儲大量圖像信息，不可能實現細胞圖像的實時還原。另一方面，由于追蹤目標和運動函數的復雜度較高，還原算法也非常復雜，使得在OFM系統的應用中還須配有一個微處理器芯片來支持該算法。

時間延時積分型圖像傳感器不同于一般的線陣型圖像傳感器，它可實現多行像素對移動中的同一物體進行多次曝光，并將每次曝光結果進行累加。TDI圖像傳感器的工作方式等效延長了像素對物體的曝光時間，因此可以大幅提升傳感器的信噪比和靈敏度，非常適合應用在低照度，物體運動速度較快的成像環境中，但目前市場上還沒有具有可提高分辨率的TDI圖像傳感器。

基于以上分析，現有的圖像分辨率提高算法并不符合OFM系統低成本和芯片化的市場需求與發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種集成在圖像傳感器中提高細胞分辨率的系統與方法，有效解決現有超分辨率重構算法中物體運動函數復雜和硬件實現存儲空間大而導致的集成度低等問題。

本發明的另一目的是提供采用上述系統提高細胞圖像分辨率的方法。

本發明的技術方案是：