一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法

本技术涉及光学成像，特别涉及一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法及相关装置。

背景技术：

1、胶原蛋白广泛存在于生物体内，是生物体中含量最丰富的蛋白质之一，其结构和含量的细微变化与诸多疾病的发生有紧密关系，例如癌症、自身免疫性疾病以及心血管疾病。由于胶原蛋白特殊的结构特性，它会在特定的功率激光照射下发出二次谐波信号，其强度、波长和偏振属性能提供分子的极化方向，进而反映出纤维的取向情况。

2、偏振二次谐波显微术(polarization second harmonic generationmicroscopy，pshg)是一种通过提取分子极化方向来研究纤维取向的技术。然而，这种技术也有其固有的局限性。首先，它受到衍射极限的约束，其分辨率最高只能达到约200nm，这使得在利用胶原进行结构分析以及疾病诊断的过程中受到了一定的限制。虽然在荧光显微成像中已经有一些超分辨技术可突破这一限制，例如，受激发射损耗显微技术、单分子定位显微术，但是由于二次谐波产生过程没有涉及到实际能级的跃迁，导致这些技术不能直接应用于二次谐波偏振成像，影响了二次谐波偏振成像的分辨率提升，进而影响采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

3、因而现有技术还有待改进和提高。

技术实现思路

1、本技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法及相关装置。

2、为了解决上述技术问题，本技术实施例第一方面提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法包括：

3、通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

4、根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

5、将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

6、根据上述技术手段，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张具有超分辨率的强度图像。超分辨率强度图像包含了胶原样品的微观结构信息，提升了对胶原样品的显微成像分辨率，提高了采集到的胶原样品内部结构的准确性。

7、然后根据所述超分辨率强度图像，确定胶原样品的胶原纤维方向，通过所述从得到的超分辨率强度图像中提取胶原样品内部纤维取向信息，将纤维取向信息也细化到超分辨率级别，得到与胶原实际微观结构相对应的纤维取向信息。

8、最后，将以上得到的若干张超分辨率强度图像和胶原样品的胶原纤维方向融合，得到纤维取向的超分辨解析结果，同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

9、在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像具体包括：

10、控制显微成像系统按照预设的照明偏振角度集中的各偏振角度对胶原样品进行多焦点结构光照明的二次谐波偏振成像，以得到各偏振角度各自对应的若干原始数据；

11、基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像，以得到若干张超分辨率强度图像。

12、根据上述技术手段，通过获取超分辨率强度图像来解析和描述胶原样品的纤维取向，具体包括控制显微成像系统按照预设的照明偏振角度集进行多焦点结构光照明的二次谐波偏振成像，从而获取各个偏振角度对应的原始数据。再基于所述原始数据，确定出各个偏振角度对应的超分辨率强度图像，使得到的超分辨率强度图像不仅具有高分辨率的优点，也包含有胶原样品在不同偏振角度下的独特信息。上述步骤通过以照明偏振角度为参数，获取多角度的超分辨率强度图像，提高了胶原样品纤维取向信息的准确性。

13、在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像具体包括：

14、对于每个偏振角度对应的若干原始数据，对所述若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据；

15、对若干去噪原始数据的各去噪原始数据中的各信号点进行像素重定位，并将像素重定位后的若干去噪原始数据进行叠加，得到初始分辨率强度图像；

16、对所述初始分辨率强度图像进行解卷积处理，以得到超分辨率强度图像。

17、根据上述技术手段，去噪处理步骤用于提升后续图像处理的准确性，通过清除无用的噪声信号，获取到原始数据中的真实信息。而对各信号点进行像素重定位并对数据进行叠加提升了图像的分辨率，进而提升了图像的精度，将去噪后的原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍后再进行叠加，通过数据处理策略，得到分辨率相比衍射极限分辨率提高了约1.4倍的初始分辨率强度图像。最后，通过解卷积处理对初始分辨率强度图像进行处理将图像的分辨率进一步提升到相比衍射极限分辨率提高了约2倍的水平，使得得到的超分辨率强度图像能够包含准确的胶原样品内部结构信息。

18、在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述对若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据具体包括：

19、对若干原始数据中的每帧原始数据进行傅里叶变换，以得到第一数据；

20、对所述中间数据进行频域滤波以及傅里叶逆变换，以得到第二数据；

21、对所述第二数据进行图像开运算处理，得到每帧原始数据对应的去噪后原始数据，以得到若干去噪原始数据。

22、根据上述技术手段，提升了后续图像处理的准确性，通过清除无用的噪声信号，获取到原始数据中的真实信息。

23、在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述对原始数据中的各信号点进行像素重定位具体为：

24、将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，以得到像素重定位后的若干去噪原始数据。

25、根据上述技术手段，所述的将原始数据中的各信号点进行像素重定位，将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，提高了后续叠加图像的分辨率，叠加并进行解卷积处理后可生成具有超分辨率的强度图像，进而提高了胶原内部结构和纤维方向信息的分析能力。

26、在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向具体包括：

27、逐像素对若干张超分辨率强度图像中每个像素点对应的偏振调制信号进行最小二乘拟合，以得到每个像素的强度-角度分布曲线；

28、在每个像素的强度-角度分布曲线获取最大强度对应的角度信息，并基于所述角度信息确定每个像素点的胶原纤维方向，以得到胶原样品的胶原纤维方向。

29、根据上述技术手段，将纤维取向信息也细化到超分辨率级别，提高了纤维取向解析的准确度，得到与胶原实际微观结构相对应的纤维取向信息。

30、在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述胶原样品的胶原纤维方向包括超分辨率强度图像中的每个像素点的胶原纤维方向；所述将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果具体包括：

31、将若干张超分辨率强度图像进行叠加，以得到超分辨率结构图像；

32、在超分辨率结构图像中的每个像素点上利用伪彩色编码显示该像素点的胶原纤维方向，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

33、根据上述技术手段，胶原样品的胶原纤维方向被定义为超分辨率强度图像中的每个像素点的胶原纤维方向，每一个像素点都被赋予独立的方向信息，从而将纤维取向信息也细化到超分辨率级别，更准确地体现胶原样品的纤维方向信息。此外，所述技术手段通过将若干张超分辨率强度图像进行叠加以得到超分辨率结构图像，再通过集成各个图像的强度信息，充分利用所有可用的数据，得到更为清晰和精确的图像，同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

34、本技术实施例第二方面提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置，其特征在于，所述基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置具体包括：

35、图像获取模块，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

36、方向确定模块，根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

37、融合分析模块，将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

38、本技术实施例第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任一所述的一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。

39、本技术实施例第四方面提供了一种终端设备，其包括：处理器和存储器；

40、所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

41、所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上任一所述的一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。

42、有益效果：

43、1.与传统的偏振二次谐波显微术相比，通过获取到的超分辨率强度图像，突破了200nm的衍射极限分辨率限制，从而提高了图像的分辨率；

44、2.对超分辨率强度图像中的每个像素点进行了逐像素分析，通过最小二乘拟合得到强度-角度分布曲线，并在此基础上确定胶原纤维的方向，将所获取的胶原样品中的纤维取向信息也细化到超分辨率级别；

45、3.通过将超分辨率强度图像和胶原纤维方向进行融合，从而同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。