专利名称：基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法
技术领域：
本发明涉及一种选择性平面照射显微成像SPM技术，尤其涉及一种基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法。
背景技术：
选择性平面照射显微术是一种针对较大生物样本的三维显微成像技术，与通常显微技术需要将样本切割并固定在载玻片上的方式不同，SPM能观察I 20mm的生物样本。 SPIM成像系统中，使用激光器作为光源，CCD相机作为探测部件，激光器照射方向和CCD相机拍摄方向垂直。一般将样本嵌入成型的低熔点琼脂中，或者封装到毛细玻璃管中，然后将琼脂或毛细玻璃管浸泡到盛放有光学匹配液体的玻璃水槽中，光学匹配液的作用是防止光线在样本表面产生严重折射或反射。激光器发出均匀单色的平行光束，激光束通过光学元件后转化成薄层单色平行光，CCD相机通过前端显微镜头聚焦到薄层光所在的平面上。之后，通过琼脂或玻璃管移动样本，使样本中感兴趣的一个层面处于薄层光的照射下，CCD相机采集这一层面的激发荧光图像，将样本进行三维移动，如平移、提升等，可以采集样本内部不同位置的激发荧光图像，最后可实现样本的三维成像。
SPM在成像过程中由于样本内部结构的不同，会出现对光线高吸收的组织，这些组织会导致光线的强烈衰减，在其后出现条状伪影和散射模糊，同时由于光线被吸收后出现的不均匀现象，SPIM图像会出现严重的噪声。发明内容
本发明的目的是提供了一种基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法。
为实现上述目的，一种基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法， 包括
针对焦平面上同一位置图像，竖直提升样本，对样本同一位置进行多次成像；
将所述同一位置的多幅图像，通过加权平均减少噪声，得到样本的整体图像。
本发明可实现选择性平面照射显微成像中，图像噪声、条状伪影和散射模糊的抑制，提闻成像的质量。
图I为本发明实施例基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法中， 关于成像方法的示意图和相应的结果；其中，图Ia显示了普通选择性平面照射显微成像方法示意图，其中虚框为成像区域；图Ib显示了该方法下所采集到的局部成像图像出现严重的条状伪影；图Ic显示了本发明实施例所采用的成像方法示意图，虚框为成像区域，通过竖直提升样本的扫描方式对样本同一位置进行多次重叠成像；图Id显示了本发明实施例所采集的图像通过加权平均处理后得到的局部成像结果；
图2为本发明实施例基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法中， 成像系统进行图像采集的具体过程。显示了探测器聚焦在样本上的局部区域，及提升样本时成像区域在样本上移动过程示意图3为本发明实施例基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法中的数据处理过程。其中，图3a显示了每幅局部图像进行加权平均时使用的最大权重为30 的加权掩码图，图3b显示了所有重叠小块拼合后的整体示意图4为本发明实施例基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法中， 针对小鼠结肠某一断面进行成像，分别采用传统成像方法和本发明方法得到结果的比对。 图4a为运用传统成像方法得出的整个小鼠结肠断层图；图4b为运用本发明得出的整个小鼠结肠断层图；图4c、图4d、图4e和图4f为运用传统成像方法得出的局部小鼠结肠断层图；图4g、图4h、图4i和图4j为运用本发明得出的局部小鼠结肠断层图。从图中可以看到本发明可有效的提高图像质量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。
本发明是一种基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法。本发明针对选择性平面照射显微成像消除图像中噪声、条状伪影和散射模糊，通过竖直提升样本的扫描方式对样本同一位置进行多次重叠成像，并利用图像加权平均抑制了成像中的各种伪影，有效提高了图像质量。如图1a所示，普通的选择性平面照射显微成像在扫描中会由于光路中高吸收物体导致成像区域出现条状伪影，影响成像质量；如图1b所示，探测器成像区域中条状伪影明显。如图1c为本发明实施例所采用的成像方法示意图，通过竖直提升样本的扫描方式对样本同一位置进行多次重叠成像，即样本中 每个局部都会被反复成像。对采集到的大量重叠图像数据进行加权平均，得出样本的平均图像。图1d显示了本发明方法的成像效果图，可见成像伪影被极大地抑制。本发明专门针对具有噪声、条状伪影和散射模糊等情况的选择性平面照射显微成像进行高质量成像。
本发明的实现方案分为两个主要步骤图像获取和数据处理，其中，图像获取步骤通过竖直提升样本，对样本同一位置进行多次重叠成像，通过这一步骤可以采集到样本中每个局部的大量重叠图像数据，这些重叠图像数据中，仅有一部分出现条纹伪影和散射模糊情况，大部分图像都比较清晰。数据处理步骤将这些重叠的图像按照位置关系进行加权平均，得到样本的整体图像，从而抑制某些局部图像中的噪声、条纹伪影和模糊等问题。下面利用小鼠结肠实验描述本发明的步骤，实验中采用小鼠结肠进行图像重叠的选择性平面照射显微成像，成像系统成像区域大小为3. 8_X3. 8mm ;图像分辨率为500X500 ;每个像素大小为7. 6 μ m ;样本每次竖直移动5个像素的距离，即38 μ m ;样本竖直提升总距离为 38mm，共需移动1000次样本；采集1000幅图像，得到的整体样本图像大小为3. 8mmX38mm。 如果不采用图像重叠的选择性平面照射显微成像，需采集10幅图像以实现样本整体成像， 但是图像质量较差。以结肠实验为例，本发明的详细步骤如下
步骤S1:本步骤针对选择性平面照射显微成像扫描获取到一系列轴向平移的图像，根据样本尺寸，计算出样本每一步提升的距离。通过测量，该样本在某一断层图像上的尺寸为3. 5mmX 38mm(不同样本在某一断层图像上的尺寸是变化的)，而成像系统的成像区域为3. SmmX3. 8mm(不同成像系统的成像区域是不同的)。图像像素大小是由实际成像系统决定，与硬件结构有关，本实施例中像素大小为7. 6 μ m，而样本每次移动的步进值应为图像像素大小的整数倍。这里我们选择5个像素的长度作为每次样本竖直提升的步进值，则每次样本提升的步进值为7. 6 μ m*5 = 38 μ m ;样本需要提升的次数为样本高度与步进值的比值，即38mm/38 μ m = 1000次；样本每个局部位置被采集的重复次数为成像区域高度与步进值的比值，成像区域的高度为3. 8mm，每个局部位置被采集的重复次数为3. 8mm/38 μ m =100次。整体图像为宽3. 8mmX高38mm，分辨率为500 X 5000，可以完全覆盖样本，其中， 竖直提升样本的距离远小于探测器成像区域的高度。如图2所示，探测器先聚焦于焦平面上一块成像区域，探测器位置固定。调节焦平面，使其聚焦于上述选定断层面。确定样本初始位置，即样本上端在探测器成像区域的最下端。在竖直提升样本的同时，开始数据采集， 并记录好采集位置，便于图像后续处理。当样本的最下端离开探测器成区域时，结束图像采集，至此共采集1000张图像。本步骤可使样本中每个局部区域被反复采集100次，极大抑制了偶然出现的噪声影响。
步骤S2 :对采集到的大量图像按照位置关系进行加权平均，得到样本的整体图像。每幅图像在进行加权时，图像的加权模板采用如图3a所示的平顶金字塔加权模板图， 模板图的分辨率与图像相同，均为500 X 500，加权模板图中间区域的权重值都为30，加权模板图边缘的30行或列的权重值从中心向边缘按行或按列依次递减1，利用这样的加权模板图，可以削弱图像边缘区域在加权平均时所占的比重，从而平滑整体图像中局部图像的边缘。利用平顶金字塔加权模板，本发明将所有采集到的图像按照位置关系加权平均并拼合成一幅整体图像，整体图像如图3b所示。
对本发明实施例所描述的图像重叠的选择性平面照射显微成像，图4为本发明实施例基于图像重叠的选择性平面照射显微成像方法，针对小鼠结肠某一断面进行成像，分别采用传统成像方法和本发明方法得到结果的比对。图4a为运用传统成像方法得出的整个小鼠结肠断层图；图4b为运用本发明得出的整个小鼠结肠断层图；图4c、图4d、图4e和图4f为运用传统成像方法得出的局部断层图；图4g、图4h、图4i和图4j为运用本发明得出的局部断层图。可以看到本发明可有效的提高图像质量。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法，包括 针对焦平面上同一位置图像，竖直提升样本，对样本同一位置进行多次成像； 将所述同一位置的多幅图像，通过加权平均减少噪声，得到样本的整体图像。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述竖直提升样本包括 将样本的最上端置于探测器成像区域的最下端，竖直提升样本，直到样本的最下端移出探测器的成像区域。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于竖直提升样本的距离远小于探测器成像区域的高度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述样本竖直移动次数为样本高度与每次移动步进值的比值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于样本每次移动的步进值为图像像素大小的整数倍。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述样本每个局部位置被采集的重复次数为成像区域高度与步进值的比值。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于采用平顶金字塔模型对多幅图像进行加权平均。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述平顶金字塔模型的最大权重为30。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述平顶金字塔模型的分辨率与所述图像相同。
全文摘要
一种基于图像重叠的选择性平面照射显微成像伪影去除方法，包括针对焦平面上同一位置图像，竖直提升样本，对样本同一位置进行多次成像；将所述同一位置的多幅图像，通过加权平均减少噪声，得到样本的整体图像。本发明可实现选择性平面照射显微成像中，图像噪声、条状伪影和散射模糊的抑制，提高成像的质量。
文档编号G06T5/50GK102982521SQ20121052619
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者田捷, 董迪, 杨鑫, 郭进 申请人:中国科学院自动化研究所