基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机视觉和图像处理技术领域，尤其涉及一种基于空间变化点扩散 函数的荧光显微图像重建方法及系统。
【背景技术】
[0002] 荧光显微图像3D复原或重建作为计算机视觉与图像处理领域具有挑战性的工 作，在生物，医学和生命科学研宄中具有重要价值。但是由于光学成像设备自身的衍射、有 限的数值孔径等因素限制，使得所成图像中有一定程度的模糊现象，这种模糊现象用点扩 散函数（point spread function，PSF)来表征。随着成像深度的增加，这种模糊现象更加 严重。
[0003] 目前，很多技术都能够实现生物样本的3D图像重建，并被不断的改进和完善。为 了简化计算，其中一些算法假设PSF是空间不变的。这种假设在PSF变化不明显的薄样本 中可以近似成立，但对于厚荧光显微样本，由于样本折射率的变化和球形像差的影响，使得 空间不变PSF的假设不再成立。
[0004] 目前有两种方法可以得到PSF，分别为实验法和理论法。实验法是通过光学显微 镜对直径小于200纳米的荧光小珠成像，这种方法得到PSF具有较高的可信度，但实际显 微成像系统的PSF与生物样本自身的光学特性有关，而不同的生物样本其光学特性是不同 的，因此直接测量法难以准确描绘实际显微成像时准确的PSF。另外由于荧光小球的几何尺 寸较小，测量时信噪比相对较低，这就需要光学系统尽量调整到理想状态，但实际的实验环 境下，这种状态很难实现。理论法是将光波长，样本折射率，成像设备的数值孔径等参数带 入Gibson S. F.和Lanni F.的经典衍射理论公式中，进而计算得到PSF，但由于公式中所需 的参数较多，而在实际中有些参数有时很难准确得到且具有易变性，因此理论法得到的PSF 往往会与实际情况有所偏差。
[0005] 现有的利用空间变化点扩散函数（space variant point spread function，SV PSF)模型来进行样本三维重建的算法中，主要是将图像分成各个子区域，每个子区域内使 用空间不变点扩散函数，为了减少区域间的块效应，需要实现两个PSF之间的平滑过渡。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的 第一方面目的在于提出一种整体性好、分辨率高的基于空间变化点扩散函数的荧光显微图 像重建方法。
[0007] 本发明第二方面目的在于提出一种基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重 建系统。
[0008] 为了实现上述目的，本发明第一方面实施例提出一种基于空间变化点扩散函数的 荧光显微图像重建方法，包括以下步骤：S1，输入荧光显微图像序列，并根据预定条件将所 述荧光显微图像序列分为多组图像栈；S2,获取每组所述图像栈的中心位置图像的点扩散 函数，并将所述点扩散函数作为所述图像栈的点扩散函数；S3,将每组所述图像栈的点扩散 函数组成点扩散函数序列，对所述点扩散函数序列进行处理以获取预定空间深度的插值函 数；S4,根据所述插值函数获取每组所述图像栈的空间变化点扩散函数；S5,根据所述空间 变化点扩散函数进行荧光显微图像的三维重建。
[0009] 根据本发明实施例的基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建方法，使用不 同深度处估计出的空间不变点扩散函数序列构建样条插值函数，得到关于轴向深度的插值 函数，再由计算出位于预定空间深度处的点扩散函数。利用空间不变点扩散函数序列来得 到空间变化点扩散函数序列模型的方法，使相邻两PSF之间的平滑过渡更自然，生成的空 间变化点扩散函数更符合实际成像系统的特点，本发明的方法考虑了所有空间不变点扩散 函数的信息，克服了现有阶层法只利用相邻两点扩散函数来进行平滑的局部性缺点。
[0010] 在一些示例中，所述步骤S2利用盲反卷积方法获取所述每组所述图像栈的中心 位置图像的点扩散函数。
[0011] 在一些示例中，所述步骤S3利用三次样条插值法对所述点扩散函数序列进行处 理以获取预定空间深度的插值函数，包括：获取m个位于不同空间深度的点扩散函数作为 样条插值的m个节点；将每个所述点扩散函数的强度值作为节点值；设置起始点扩散函数 和终止点扩散函数，获取每两个点扩散函数之间位于预定空间深度的插值函数。
[0012] 在一些示例中，可利用所述插值函数，获取位于任意两个所述点扩散函数之间的 点扩散函数。
[0013] 在一些示例中，步骤S5利用反卷积算法对所述空间变化点扩散函数进行荧光显 微图像的三维重建。
[0014] 本发明第二方面实施例提出一种基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建 系统，包括：分组模块，用于输入荧光显微图像序列，并根据预定条件将所述荧光显微图像 序列分为多组图像栈；预处理模块，用于获取每组所述图像栈的中心位置图像的点扩散函 数，并将所述点扩散函数作为所述图像栈的点扩散函数；插值模块，用于将每组所述图像栈 的点扩散函数组成点扩散函数序列，对所述点扩散函数序列进行处理以获取预定空间深度 的插值函数；空间变化点扩散函数模块，根据所述插值函数获取每组所述图像栈的空间变 化点扩散函数；重建模块，用于根据所述空间变化点扩散函数进行荧光显微图像的三维重 建。
[0015] 根据本发明实施例的基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建系统，使用不 同深度处估计出的空间不变点扩散函数序列构建样条插值函数，得到关于轴向深度的插值 函数，再由计算出位于预定空间深度处的点扩散函数。利用空间不变点扩散函数序列来得 到空间变化点扩散函数序列模型的方法，使相邻两PSF之间的平滑过渡更自然，生成的空 间变化点扩散函数更符合实际成像系统的特点，本发明的系统考虑了所有空间不变点扩散 函数的信息，克服了现有阶层法只利用相邻两点扩散函数来进行平滑的局部性缺点。
[0016] 在一些示例中，所述预处理模块利用盲反卷积方法获取所述每组所述图像栈的中 心位置图像的点扩散函数。
[0017] 在一些示例中，所述插值模块还用于利用三次样条插值法对所述点扩散函数序列 进行处理以获取预定空间深度的插值函数，包括：获取m个位于不同空间深度的点扩散函 数作为样条插值的m个节点；将每个所述点扩散函数的强度值作为节点值；设置起始点扩 散函数和终止点扩散函数，获取每两个点扩散函数之间位于预定空间深度的插值函数。
[0018] 在一些示例中，所述插值模块还用于可利用所述插值函数，获取位于任意两个所 述点扩散函数之间的点扩散函数。
[0019] 在一些示例中，所述重建模块利用反卷积算法对所述空间变化点扩散函数进行荧 光显微图像的三维重建。
[0020] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0021] 图1是根据本发明一个实施例的基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建 方法的流程图；
[0022] 图2是本发明一个实施例的基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建方法 的过程图；
[0023] 图3是本发明一个实施例的一组SI PSF图像示例示意图；和
[0024] 图4是根据本发明一个实施例的基于空间变化点扩散函数的荧光显微图像重建 系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0025] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底" "内"、"外"、"顺时 针"、"逆时针"、"轴向"、"径向"、"周向"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或 位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0026] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是至少两个，例如两个， 三个等，除非另有明确具体的限定。
[0027] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固定"等 术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连 接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内 部的连