一种荧光光学显微成像中基于TDI‑CCD的双向扫描成像方法与流程

本发明属于荧光光学显微成像技术领域，更具体地，涉及一种荧光光学显微成像中基于TDI-CCD的双向扫描成像方法。

背景技术：

TDI(Time Delay Integration)CCD即时间延时积分CCD是一种线阵扫描方式的成像器件，是基于对同一物体的多次曝光的概念发展而来，通常用来对一些高速物体进行成像。现在工业监测，空间探测，航天遥感等领域都有广泛的应用。

目前，TDI-CCD在荧光光学成像领域也有了一定的发展，特别是用于探测荧光弱信号，其帧转移器件中的一堆线阵像素与待成像物体的运动对准且与待成像物体的运动同步，随着图像从一行像素移向另一行，积分电荷也随着移动，用这种方式对运动物体进行连续的成像输出，在弱光时提供了比普通线扫面相机更高的分辨率。但是，在生物荧光信号成像领域，使用传统的TDI-CCD对生物组织样本进行单向线扫描成像也要求样本进行沿指定方向运动，当需要覆盖更大的成像范围时，则样本需要沿相反方向完成回程运动，并沿垂直方向移动一定距离后，再沿指定方向进行运动成像，获取相邻成像视野的图像。在上述过程中，回程运动所消耗的时间被浪费，而不能用于进行成像。对于大样本的成像，会需要较长的周期。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提出基于TDI-CCD的双向扫描方法，实现对生物组织样品的更快速的成像，旨在解决使用荧光显微成像对生物组织样品成像周期长，效率低的问题。

本发明提供了一种荧光光学显微成像中基于TDI-CCD的双向扫描成像方法，包括下述步骤：

S1：设置触发窗口信息；

S2：通过给TDI-CCD施加第一电平控制信号，使得TDI-CCD实现正向扫描；

S3：根据所述触发窗口信息控制三维精密移动控制平台沿X轴正向移动，并根据三维精密移动控制平台的移动位置给出触发信号控制TDI-CCD沿正向扫描方向实现曝光成像；

S4：通过给TDI-CCD施加与所述第一电平控制信号的方向相反的第二电平控制信号，使得TDI-CCD能够实现反向扫描；

S5：根据所述触发窗口信息控制三维精密移动控制平台沿X轴反向移动；并根据三维精密移动控制平台的移动位置给出触发信号控制TDI-CCD沿反向扫描方向实现曝光成像。

更进一步地，在步骤S1中，所述触发窗口信息包括：触发信号频率，触发窗口起始位置及触发窗口行程。

更进一步地，所述触发信号频率f0＝v0/s0，其中v0为三维精密移动控制平台的移动速度，s0为三维精密移动控制平台的触发距离。

更进一步地，所述触发信号频率小于50kHz。

通过本发明所构思的以上技术方案，由于使用TDI-CCD对生物组织样品进行双向扫描成像，与现有的TDI-CCD单向线扫描成像技术相比，在都能够较好的探测荧光弱信号基础上，还能提高整体成像速度，缩短了整个荧光光学成像的周期。

附图说明

图1为荧光显微成像系统结构示意图。

图2为双向扫描成像原理示意图。

图3为双向扫描成像三维精密移动控制平台程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明属于荧光光学显微成像技术领域，涉及了荧光光学显微成像中一种基于TDI-CCD的双向扫描成像方法。

本发明解决的问题是在现有荧光光学显微成像系统中使用可支持双向扫描的TDI-CCD相机，结合三维精密移动控制平台的外部触发，使用了双向扫描成像方法，实现对生物组织样本进行快速高分辨成像，提高了整体成像速度。

荧光光学显微成像系统包括：三维精密移动控制平台、采集模块与成像光路部分。高速显微成像系统如图1所示，其中三维精密移动控制平台1上可安装加工槽2，加工槽可以紧密固定于三位精密移动控制平台，生物组织样品3固定于加工槽中。刀具4可实现对生物组织样品进行切削，每切削完成一个冠状面，三维精密移动控制平台携带生物组织样品移动至物镜5下进行扫描成像。激光器9发出的激光经过照明光路8进行调节再经过探测光路6到达物镜下方，实现对生物组织样品的激发。生物组织样品被激发的荧光信号通过物镜再经过探测光路，最后被TDI-CCD7搜集成像，TDI-CCD线扫描成像的方向由控制线外接的控制线19的电平信号控制，TDI-CCD采集的图像通过线缆12传输到数据采集卡17的缓存中，数据采集卡是插在工作站11的PCI卡槽中，在工作站中可对数据采集卡编程获取图像数据。工作站中还有串口16通过串口线13与激光器连接，通过激光器自带软件实现对激光器的控制，同时还有1394卡15插在工作站的PCI卡槽中，且通过线缆14与三维精密移动控制平台的控制箱10连接，则可在工作站中编程实现对控制箱的控制，同时控制箱可通过线缆18控制三维精密移动控制平台。

本发明提供的荧光光学显微成像中基于TDI-CCD的双向扫描成像方法包括TDI-CCD相机和外部触发两部分。TDI-CCD相机可使用自身支持双向扫描成像的相机，对于外部触发，由于是线扫描延时积分成像且用于显微成像领域，故对物体运动精度要求非常高。本发明中采用三维精密移动控制平台自带的控制箱对平台运动进行编程控制，在控制三维精密移动控制平台移动的同时根据相对位置给出触发信号对TDI-CCD进行曝光成像；当三维精密移动控制平台沿不同方向运动时，需要给出不同的触发信号控制TDI-CCD相机进行不同方向的积分成像。TDI-CCD相机所需要的外部触发信号都可以从三维精密移动控制平台上输出，需要对控制箱进行编程设计。

本发明使用双向扫描延时积分成像与现有技术相比有许多优点：

(1)本发明使用TDI-CCD延时积分器件，具有灵敏度高，噪声低，稳定性高等特点。

(2)本发明使用外部触发控制TDI-CCD曝光，该触发信号根据三维精密移动控制平台的位置给出，达到TDI-CCD相机与物体同步曝光目的；同时，在三维精密移动控制平台沿不同方向移动时，给出不同的电平信号来控制TDI-CCD的积分方向。

(3)本发明提供了一种双向扫描方法，使荧光光学显微成像的成像速度大大提升。

本发明实现了一种荧光光学显微成像中的基于TDI-CCD的双向扫描成像方法，其基本示意图如图2，该图表示荧光光学显微系统使用双向扫描成像的一个过程。其中，105与106分别表示三维精密移动控制平台沿X轴正向运行与三维精密移动控制平台沿X轴反向运行，107表示三维精密移动控制平台给出触发信号的时序图。三维精密移动控制平台的行程分为101，102，103三个部分，当三维精密移动控制平台沿X轴正向运行时，101这部分距离是三维精密移动控制平台的加速距离，102部分是三维精密移动控制平台给出触发TDI-CCD曝光的触发信号的部分，103部分是三维精密移动控制平台的减速部分，104部分是三维精密移动控制平台给出的触发信号的单个周期。由于是对荧光弱信号进行显微成像，故需要在三维精密移动控制平台匀速运动的时候进行曝光成像，如此才能保证TDI-CCD线扫描得到的图像每个像素曝光时间相同，不会出现亮度不均匀的情况。同样，由该示意图可知，图中的101，102，103部分构成了三维精密移动控制平台的整个移动行程。当三维精密移动控制平台沿X轴反向运动时，图2中103部分为三维精密移动控制平台的加速距离，102部分是三维精密移动控制平台给出触发TDI-CCD曝光的触发信号的部分，101部分是三维精密移动控制平台最后的减速部分。

使用本发明提供的双向扫描成像方法，需要将图2中的101部分和103部分的行程给一致，才能使得TDI-CCD获取的图像范围一致。同时在101部分和103部分开始前，需要给TDI-CCD特定的电平信号来控制TDI-CCD的积分成像方向；在102部分需要根据三维精密移动控制平台实时移动给出触发信号来控制TDI-CCD进行曝光成像。该部分的电平输出信号以及实时TDI-CCD触发信号都是从三维精密移动控制平台的控制箱中的接口给出，具体给出的数值以及频率需要进行程序编程。

图3是使用三维精密移动控制平台来控制TDI-CCD进行曝光成像的程序流程图，如下：

第一步，设置触发窗口信息，该触发窗口信息包括触发信号频率，触发窗口起始位置及触发窗口行程。触发信号频率主要决定因素是TDI-CCD的帧频决定，本实例中使用的TDI-CCD的帧频是50kHz，故设置的触发信号频率必须低于50kHz。

触发信号频率是与三维精密移动控制平台的移动速度和设定的触发距离大小相关，触发信号频率的值f0是通过三维精密移动控制平台的触发距离s0与三维精密移动控制平台的移动速度v0计算得出，即f0＝v0/s0；同时每次三维精密移动控制平台以400mm/min～800mm/min的速度运动时都需要一个加速过程，该触发窗口初始位置大小为一个加速过程中三维精密移动控制平台经过的距离；触发窗口的行程是指在三维精密移动控制平台移动过程中根据位置信息实时给出触发信号的一段行程，触发窗口行程在加速行程之后。

第二步，通过给TDI-CCD施加第一电平控制信号，使得TDI-CCD能够实现正向扫描；即在三维精密移动控制平台开始运动前，需通过控制箱给出一个电平信号作为TDI-CCD的积分方向的控制信号，直接通过控制箱的IO口输出电平即可。

第三步，根据所述触发窗口信息控制三维精密移动控制平台沿X轴正向移动，X轴是指三维精密移动控制平台携带生物组织样品移动进行线扫描成像的方向，如图2中所示；并根据三维精密移动控制平台的移动位置给出触发信号控制TDI-CCD沿正向扫描方向实现曝光成像。即控制三维精密移动控制平台沿X轴正向移动，同时根据三维精密移动控制平台的移动位置给出触发信号控制TDI-CCD曝光。该部分是使用TDI-CCD进行线扫描延时积分成像的关键部分，首先需要设置触发信号的类型，即上升沿触发或下降沿触发；接着需要设置触发窗口为双向触发，即从触发窗口的两端进入都会给出触发信号。

第四步，通过给TDI-CCD施加与所述第一电平控制信号的方向相反的第二电平控制信号，使得TDI-CCD能够实现反向扫描；

第五步，根据所述触发窗口信息控制三维精密移动控制平台沿X轴反向移动；并根据三维精密移动控制平台的移动位置给出触发信号控制TDI-CCD沿反向扫描方向实现曝光成像。

本发明中的双向扫描方法利用TDI-CCD自身双向扫描成像特性，结合了三维精密移动控制平台的硬件特性，通过编程实现了联合控制。本发明适用于使用TDI-CCD与三维精密移动控制平台进行线扫描成像的装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。