激光共聚焦扫描显微成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光共聚焦扫描显微成像系统，其系统硬件包括激光光源部分，光学显微成像部分，系统扫描控制部分以及计算机图像处理、图像分析与可视化部分；其软件包括以下几部分：系统控制模块、荧光图像采集模块、荧光断层图像处理和分析模块以及三维数据场的可视化模块。本发明提供一种精密度高、扫描速度快、稳定性能好的激光共聚焦扫描显微成像系统，其是集光学、机械、电子、计算机为一体化的高精度的检测与分析系统，该系统能够满足生物医学微观检测的需要，其不仅具有很高的平面分辨率而且具有很高的深度分辨率。
【专利说明】激光共聚焦扫描显微成像系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及显微成像技术，尤其涉及一种激光共聚焦扫描显微成像系统。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，显微镜的用途和类型也在不断地更新和拓展，常用的显微镜通常可以分为普通光学显微镜、突光显微镜、透射电子显微镜、场发射电子显微镜、扫描电子显微镜等以及八十年代新发展的一系列扫描探针显微镜等，虽然类型和用途各异，但所有显微成像技术均是通过样品和不同类型的射线按不同方式相互作用获取信息进行放大成像的。
[0003]目前，随着激光技术、现代微电子技术、计算机技术和图像处理技术的发展，使得现代化的生物医学仪器进入了以计算机为主体的阶段。高性能的计算机和丰富的软件，使得先进的医学仪器设备具有更强大的功能和完善的性能，为生物医学工程的发展和临床医学提供有力的工具。
[0004]但是，为了满足实际生物医学上的应用和研究需求，需要开发更高平面分辨率和深度分辨率的激光共聚焦扫描显微镜，并且需要更好的图像处理及图像分析技术对采集的荧光图像进行处理和分析，利用计算机图形学知识对生物体的三维采样离散数据场进行三维重构，生成物体的三维形貌，这些需要精密度更高的、扫描速度更快、稳定性能更好的激光共聚焦扫描显微成像系统。
【发明内容】
[0005]本发明克服了现有技术的不足，提供一种精密度高、扫描速度快、稳定性能好的激光共聚焦扫描显微成像系统。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:一种激光共聚焦扫描显微成像系统，其系统硬件包括激光光源部分，光学显微成像部分，系统扫描控制部分以及计算机图像处理、图像分析与可视化部分；其软件包括以下几部分:系统控制模块、荧光图像采集模块、荧光断层图像处理和分析模块以及三维数据场的可视化模块，所述系统控制模块由计算机发出X方向和Y方向的扫描控制信号，通过D/A进行数模转换，模拟信号输入各自扫描器件，实现激光的X、Y双向平面扫描；所述荧光图像采集模块是标本在扫描激光点的激发下发出荧光，通过共聚焦光学系统聚焦于空间滤波器，再通过光电探测器和放大器输入A/D转换器，计算机通过控制扫描器和A/D转换器的同步实现荧光图像的采集；所述荧光断层图像处理和分析模块用于处理和分析所述荧光图像采集模块采集到的图像；所述三维数据场可视化模块用于获得高的平面分辨率和高的深度分辨率的三维形体可视图像。
[0007]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述荧光断层图像处理和分析模块对图像进行处理分析流程包括图像处理、图像计算和图像荧光标记。
[0008]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述图像处理包括以下一种或几种:图像滤波、图像明暗度调整、图像缩放、伪彩色处理和图像增强。[0009]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述图像计算包括用于直线上灰度计算的直线计算和用于区域上的灰度计算的区域计算。
[0010]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述图像荧光标记包括对一幅图像添加颜色的图像单标和对打开的两幅图像分别添加不同颜色的图像双标。
[0011]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述三维数据场可视化模块用于系统三维数据场可视化包括三维重构和任意截面重构两方面。
[0012]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述荧光图像采集模块为系统采集图像包括图像采集参数设置和图像采集两部分。
[0013]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述图像采集参数设置包括以下的一种或几种:图像大小设置、图像像素间距设置、扫描范围设置、激光功率设置、空间滤波器设置、扫描通道设置、扫描速度设置以及噪声滤波器设置。
[0014]本发明的一个较佳实施例中，进一步包括，所述图像采集包括以下一种或几种:图像预扫描、图像单层扫描、图像多层扫描和图像实时扫描。
[0015]本发明解决了【背景技术】中存在的缺陷，具有如下有益效果:
本发明提供一种精密度高、扫描速度快、稳定性能好的激光共聚焦扫描显微成像系统，其是集光学、机械、电子、计算机为一体化的高精度的检测与分析系统，该系统能够满足生物医学微观检测的需要，其不仅具有很高的平面分辨率而且具有很高的深度分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017]图1是本发明的优选实施例的模块图。
【具体实施方式】
[0018]现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0019]如图1所示，本发明提供一种激光共聚焦扫描显微成像系统，其系统硬件包括激光光源部分，光学显微成像部分，系统扫描控制部分以及计算机图像处理、图像分析与可视化部分；其软件包括以下几部分:系统控制模块、荧光图像采集模块、荧光断层图像处理和分析模块以及三维数据场的可视化模块。
[0020]其中，系统控制模块由计算机发出X方向和Y方向的扫描控制信号，通过D/A进行数模转换，模拟信号输入各自扫描器件，实现激光的X、Y双向平面扫描；同时通过控制X、Y方向扫描点的点数，扫描点的间距，扫描起点的位置，实现标本被扫描位置和被扫描范围选择。根据不用扫描方式要求，计算机发出相应的控制信号，通过串行口输入Z向微位移器件控制器，实现Z向精确定位和Z向等距移动。计算机发出控制信号输入定位器，控制空间滤波器精确定位，荧光图像采集模块是标本在扫描激光点的激发下发出荧光，通过共聚焦光学系统聚焦于空间滤波器，再通过光电探测器和放大器输入A/D转换器，计算机通过控制扫描器和A/D转换器的同步实现荧光图像的采集。
[0021]图像采集模块为系统采集图像包括图像采集参数设置和图像采集两部分。其中，图像采集参数设置包括图像大小设置、图像像素间距设置、扫描范围设置、激光功率设置、空间滤波器设置、扫描通道设置、扫描速度设置以及噪声滤波器设置。图像采集包括图像预扫描、图像单层扫描、图像多层扫描和图像实时扫描。
[0022]荧光断层图像处理和分析模块用于处理和分析所述荧光图像采集模块采集到的图像；荧光断层图像处理和分析模块对图像进行处理分析流程包括图像处理、图像计算和图像荧光标记；其中，图像处理包括图像滤波、图像明暗度调整、图像缩放、伪彩色处理和图像增强。图像计算包括用于直线上灰度计算的直线计算和用于区域上的灰度计算的区域计算。图像荧光标记包括对一幅图像添加颜色的图像单标和对打开的两幅图像分别添加不同颜色的图像双标。
[0023]三维数据场可视化模块用于获得高的平面分辨率和高的深度分辨率的三维形体可视图像。三维数据场可视化模块用于系统三维数据场可视化包括三维重构和任意截面重构两方面。
[0024]传统的面绘制方法重构三维形体会丢失图像丰富的细节，在本发明的激光共聚焦扫描显微镜系统中，使用了体绘制方法，其实现步骤如下:
(1)打开序列断层图像，读取断层图像的数据值，根据断层图像采集顺序和横向、纵向的扫描间距，构造三维离散数据场；
(2)确定三维离散数据场在观察坐标系中位置和大小；
(3)对观察坐标系中三维离散数据场进行投影变换；
(4)重新采样，进行图像合成，对视平面上的合成图像进行市区变换，将图像显示与显示器的屏幕上；
(5)如果需要对重构的三维图像进行旋转，则输入旋转方向的角度，再进行三维图形重构。
[0025]因为激光共聚焦扫描显微镜系统只能扫描XY、XZ、YZ平面上的图像，而不能扫描任意截面图像，因此需要对三维离散数据场进行任意截面重构。因为激光共聚焦显微镜具有很高的平面和深度分辨率，所以三维离散数据场任意截面都能够重构，其重构实现的方法如下:
(1)打开系列断层图像，读取断层图像数据值，根据断层图像采集顺序和横向、纵向的扫描间距，构造三维离散数据场，给定任意截面位置和面法向量；
(2)对三维离散数据场进行重新采样；
(3)进行插值计算，即图像合成；
(4)进行正平行投影和视区变换，显示截面图像；如果图像要旋转，则输入旋转面的法向量，重新进行重构。
[0026]本发明的激光共聚焦扫描显微成像系统是集光学、机械、电子、计算机为一体化的高精度的检测与分析系统，该系统能够满足生物医学微观检测的需要，其不仅具有很高的平面分辨率而且具有很高的深度分辨率。
[0027]以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
【权利要求】
1.一种激光共聚焦扫描显微成像系统,其特征在于，其系统硬件包括激光光源部分，光学显微成像部分，系统扫描控制部分以及计算机图像处理、图像分析与可视化部分；其软件包括以下几部分:系统控制模块、荧光图像采集模块、荧光断层图像处理和分析模块以及三维数据场的可视化模块，所述系统控制模块由计算机发出X方向和Y方向的扫描控制信号，通过D/A进行数模转换，模拟信号输入各自扫描器件，实现激光的X、Y双向平面扫描；所述荧光图像采集模块是标本在扫描激光点的激发下发出荧光，通过共聚焦光学系统聚焦于空间滤波器，再通过光电探测器和放大器输入A/D转换器，计算机通过控制扫描器和A/D转换器的同步实现荧光图像的采集；所述荧光断层图像处理和分析模块用于处理和分析所述荧光图像采集模块采集到的图像；所述三维数据场可视化模块用于获得高的平面分辨率和高的深度分辨率的三维形体可视图像。
2.根据权利要求1所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述荧光断层图像处理和分析模块对图像进行处理分析流程包括图像处理、图像计算和图像荧光标记。
3.根据权利要求2所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述图像处理包括以下一种或几种:图像滤波、图像明暗度调整、图像缩放、伪彩色处理和图像增强。
4.根据权利要求2所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述图像计算包括用于直线上灰度计算的直线计算和用于区域上的灰度计算的区域计算。
5.根据权利要求2所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述图像荧光标记包括对一幅图像添加颜色的图像单标和对打开的两幅图像分别添加不同颜色的图像双标。
6.根据权利要求1所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述三维数据场可视化模块用于系统三维数据场可视化包括三维重构和任意截面重构两方面。
7.根据权利要求1所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述荧光图像采集模块为系统采集图像包括图像采集参数设置和图像采集两部分。
8.根据权利要求7所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述图像采集参数设置包括以下的一种或几种:图像大小设置、图像像素间距设置、扫描范围设置、激光功率设置、空间滤波器设置、扫描通道设置、扫描速度设置以及噪声滤波器设置。
9.根据权利要求7所述的激光共聚焦扫描显微成像系统，其特征在于，所述图像采集包括以下一种或几种:图像预扫描、图像单层扫描、图像多层扫描和图像实时扫描。
【文档编号】G01N21/64GK103487419SQ201310431090
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】胡边 申请人:江苏美伦影像系统有限公司