一种提高荧光成像清晰度的方法与流程

1.本发明涉及植物胁迫分析、荧光成像清晰度的技术领域，尤其涉及一种提高荧光成像清晰度的方法。


背景技术：

2.荧光是自然界常见的一种发光现象，荧光是光子与分子的相互作用产生的，这种相互过程可以通过雅布隆斯基(jablonslc)分子能级图描述：大多数分子在常态下，是处于基态的最低振动能级so，当受到能量(光能、电能、化学能等等)激发后，原子核周围的电子从基态能级so跃迁到能量较高的激发态(第一或第二激发态)，激发态的电子处于高能量状态，不稳定，会通过两种途径释放能量回到基态,一种是以光子形式释放能量的辐射跃迁(包括荧光和磷光过程),一种是以热能等形式释放能量的非辐射跃迁；通常原子核外电子受到激发从基态so跃迁到激发态si后，会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。
3.荧光成像的理论基础是荧光物质被激发后所发射的荧光信号的强度在一定的范围内与荧光素的量成线性关系，荧光成像系统包括荧光信号激发系统(激发光源、光路传输组件)、荧光信号收集组件、信号检测以及放大系统(ccd、pmt)。
4.目前，植物胁迫分析对于农业及环境生态研究意义深远，偏振成像和植物叶绿素荧光成像探测同样具有非侵入、无损伤的优势,因此，通过荧光成像技术对植物胁迫进行研究分析是较为良好的方法，但是没有较高的清晰度，现有技术更多关注研究与生物细胞，因此在针对农业与环境生态研究的植物胁迫的研究中，大家关注甚少，荧光成像距离超高清还有着很大的距离，这也对植物胁迫研究人员工作带来了较大的挑战。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明解决的技术问题是：没有针对植物胁迫分析较高清的荧光成像设备。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，求取接收的成像信号平滑处理的功率谱，计算清晰度；根据所述清晰度的大小设定阈值识别常规成像信号，若不能识别，则搜索平滑后的功率谱谱峰；若谱峰为2，则是2fsk，若不为2，则将所述常规成像信号进行平方处理和所述功率谱进行平滑处理；利用最小二乘法拟合瞬时频率，进行局部去噪，输出得到较高清晰度的成像信号。
9.作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：计算所述清晰度包括，利用描述序列特性的指标l-z复杂度策略对接收的所述成像信号进行平
滑处理，得到功率谱；
10.定义{s(k)}为信号的幅度频谱，k＝1,2,
…
,n，n为信号数据长度，对{s(k)}进行量化编码。
11.作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：还包括，
12.设置量化级数为l，令a＝max{s(k)}，表示信号幅度频谱的最大值，在(0，a]的区间上把{s(k)}分成l层，则有：
[0013][0014]
其中，{r(k)}表示{s(k)}量化后具有l个符号的数字序列，j为清晰度。
[0015]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：设定所述阈值包括，计算平滑频谱{s(k)}的最大值，设定阈值为threshold＝max(，s(k))/2。
[0016]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：所述平方处理包括，
[0017]
初始时向空生成池中添加赋值，不失一般性，定义所述空生成池中已有符号串，并且所述赋值是由添加操作完成的；
[0018]
令p＝r(1)r(2)
…
r(l)，q＝r(l+1)，判断q是否可以从pov中复制，即q是否为pqv中的子串，其中，pqv表示把p、q拼接在一起，删除最末一个字符得到的字符串。
[0019]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：还包括，
[0020]
若能复制，则p保持不变，q续补一个符号，即q＝r(l+1)r(l+2)；
[0021]
若不能复制，则添加q到生成池，p＝r(1)r(2)
…
r(l)r(l+1)，q＝r(l+2)；
[0022]
循环迭代，直至生成池中包含所有的重构序列，统计添加操作的次数c，即为l-z复杂度，若最后一步操作是复制，则c要加1。
[0023]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：所述平滑处理包括，
[0024]
为避免噪声干扰先对所述成像信号进行平滑搜索处理，得到平滑频谱{s(k)}；
[0025]
将{s(k)}的每一个数减去阈值threshold后，得到一个新的序列{s
*
(k)}；
[0026]
从序列{s
*
(k)}的第一个位置k＝1开始，判断当前位置k所在的数值s
*
(k)是否小于0；
[0027]
若小于0，则将当前位置k所在的数值s
*
(k)置0，直至k＝n-step截止，序列{s
*
(k)}中的数值得到了更新；
[0028]
设初始谱峰数p＝0，搜索序列{s
*
(k)}，如果当前位置k所在的数值s
*
(k)大于0，并且位置k-1所在的数值s
*
(k-1)小于0，则p加1，序列{s
*
(k)}遍历一遍；
[0029]
判断p大小，如果p＝2，则表示该信号是所述常规成像信号，否则为其他信号。
[0030]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：利用最小二乘法拟合瞬时频率包括，
[0031]
利用拟合直线和信号瞬时频率的方差来判断瞬时频率是否为直线，如下，
[0032][0033]
其中，f(n)表示信号的瞬时频率，表示最小二乘拟合直线，α表示拟合直线的斜率，β表示拟合直线的截距，α和β为待估计参数，通过计算出α和β，得到拟合直线。
[0034]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：所述局部去噪包括，从数据库中读入局部放电信号数据，获得采样信息；利用所述采样信息选择合适的eps值和minpts值并对所述局部放电信号数据进行密度聚类计算；利用密度聚类策略对所述局部放电信号数据分类并将不连续的所述局部放电信号作为噪声点进行剔除。
[0035]
作为本发明所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的一种优选方案，其中：所述密度聚类计算包括，从所述局部放电信号数据中选取一个数据点x，检查所述数据点x的eps邻域；若所述数据点x是核心点且没有被分配至某一类，则找出所有密度可达的点，形成一个包含所述数据点x的类；若所述数据点x不是所述核心点，则所述数据点x标记为所述噪声点；循环迭代，直至所有点处理完成。
[0036]
本发明的有益效果：本发明方法通过对荧光成像的信号进行特殊处理，获得较好的频率信号，即得到较高的清晰度，减少了繁杂的运算，能够很好地应用于植物胁迫分析研究。
附图说明
[0037]
图1为本发明一个实施例所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的流程示意图；
[0038]
图2为本发明一个实施例所述的一种提高荧光成像清晰度的方法的三种不同照明示意图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0041]
应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0042]
应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排
他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0043]
应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含a、b和c”、“包含a、b、c”是指a、b、c三者都包含，“包含a、b或c”是指包含a、b、c三者之一，“包含a、b和/或c”是指包含a、b、c三者中任1个或任2个或3个。
[0044]
应当理解，在本发明中，“与a对应的b”、“与a相对应的b”、“a与b相对应”或者“b与a相对应”，表示b与a相关联，根据a可以确定b。根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其他信息确定b。a与b的匹配，是a与b的相似度大于或等于预设的阈值。
[0045]
取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
[0046]
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0047]
实施例1
[0048]
参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，提供了一种提高荧光成像清晰度的方法的一种实施方式，具体包括：
[0049]
s1；求取接收的成像信号平滑处理的功率谱，计算清晰度。其中需要说明的是，计算清晰度包括：
[0050]
利用描述序列特性的指标l-z复杂度策略对接收的成像信号进行平滑处理，得到功率谱；
[0051]
定义{s(k)}为信号的幅度频谱，k＝1,2,
…
,n，n为信号数据长度，对{s(k)}进行量化编码；
[0052]
设置量化级数为l，令a＝max{s(k)}，表示信号幅度频谱的最大值，在(0，a]的区间上把{s(k)}分成l层，则有：
[0053][0054]
其中，{r(k)}表示{s(k)}量化后具有l个符号的数字序列，j为清晰度。
[0055]
s2：根据清晰度的大小设定阈值识别常规成像信号，若不能识别，则搜索平滑后的功率谱谱峰。本步骤需要说明的是，设定阈值包括：
[0056]
计算平滑频谱{s(k)}的最大值，设定阈值为threshold＝max(s(k))/2。
[0057]
识别的部分运行代码示意如下：
[0058][0059]
s3：若谱峰为2，则是2fsk，若不为2，则将常规成像信号进行平方处理和功率谱进行平滑处理。其中还需要说明的是，平方处理包括：
[0060]
初始时向空生成池中添加赋值，不失一般性，定义空生成池中已有符号串，并且赋值是由添加操作完成的；
[0061]
令p＝r(1)r(2)
…
r(l)，q＝r(l+1)，判断q是否可以从pov中复制，即q是否为pqv中的子串，其中，pqv表示把p、q拼接在一起，删除最末一个字符得到的字符串；
[0062]
若能复制，则p保持不变，q续补一个符号，即q＝r(l+1)r(l+2)；
[0063]
若不能复制，则添加q到生成池，p＝r(1)r(2)
…
r(l)r(l+1)，q＝r(l+2)；
[0064]
循环迭代，直至生成池中包含所有的重构序列，统计添加操作的次数c，即为l-z复杂度，若最后一步操作是复制，则c要加1。
[0065]
进一步的，平滑处理包括：
[0066]
为避免噪声干扰先对成像信号进行平滑搜索处理，得到平滑频谱{s(k)}；
[0067]
将{s(k)}的每一个数减去阈值threshold后，得到一个新的序列{s
*
(k)}；
[0068]
从序列{s
*
(k)}的第一个位置k＝1开始，判断当前位置k所在的数值s
*
(k)是否小于0；
[0069]
若小于0，则将当前位置k所在的数值s
*
(k)置0，直至k＝n-step截止，序列{s
*
(k)}中的数值得到了更新；
[0070]
设初始谱峰数p＝0，搜索序列{s
*
(k)}，如果当前位置k所在的数值s
*
(k)大于0，并且位置k-1所在的数值s
*
(k-1)小于0，则p加1，序列{s
*
(k)}遍历一遍；
[0071]
判断p大小，如果p＝2，则表示该信号是常规成像信号，否则为其他信号。
[0072]
s4：利用最小二乘法拟合瞬时频率，进行局部去噪，输出得到较高清晰度的成像信号。本步骤还需要说明的是，利用最小二乘法拟合瞬时频率包括：
[0073]
利用拟合直线和信号瞬时频率的方差来判断瞬时频率是否为直线，如下，
[0074][0075]
其中，f(n)表示信号的瞬时频率，表示最小二乘拟合直线，α表示拟合直线的斜率，β表示拟合直线的截距，α和β为待估计参数，通过计算出α和β，得到拟合直线。
[0076]
进一步的，局部去噪包括：
[0077]
从数据库中读入局部放电信号数据，获得采样信息；
[0078]
利用采样信息选择合适的eps值和minpts值并对局部放电信号数据进行密度聚类计算；
[0079]
利用密度聚类策略对局部放电信号数据分类并将不连续的局部放电信号作为噪声点进行剔除。
[0080]
具体的，密度聚类计算包括：
[0081]
从局部放电信号数据中选取一个数据点x，检查数据点x的eps邻域；
[0082]
若数据点x是核心点且没有被分配至某一类，则找出所有密度可达的点，形成一个包含数据点x的类；
[0083]
若数据点x不是核心点，则数据点x标记为噪声点；
[0084]
循环迭代，直至所有点处理完成。
[0085]
参照图2，光学层析成像有三个不同的照明检测技术领域，具体包括：
[0086]
(1)时域td：当需要独立测量组织吸收，散射或荧光染料的寿命时，必须使用td或fd技术。使用超快(飞秒至皮秒)光子脉冲照射组织，并根据时间分辨光子到达组织边界周围不同位置的时间，与连续波方法相比，它们可以使用早期到达的光子来提高分辨率，因为高扩散光子被拒绝了，不利的一面是，由于实现了较低的占空比(即打开激光束和检测器的时间长度)，因此td方法不如cw方法敏感，从而导致可用于成像的平均光强度较低；此外，由于与超快开关电子设备和脉冲激光器相关的时间和强度波动，td仪器比cw系统噪声更大。
[0087]
(2)频域fd：使用频率为f的调制强度的光，该光在扩散介质中建立相同频率的光子波。光强度和光子波前远离光源或受激发的荧光染料的相移的测量揭示了有关组织光学特性和荧光染料生物分布的信息，fd方法比cw和td方法受环境光的影响小，但是，它们需要几百mhz或更高的频率才能实现cw分辨率的提高，它们也比连续波方法更不可靠，因为减少了感应高频时的信噪比检测，在多个频率下获得的数据可以改善fd成像性能，并且可以通过傅立叶逆变换等效于td数据。
[0088]
(3)连续波域cw：使用恒定强度的光，简单且低成本的光学组件，最佳的信噪比性能。与td和fd方法中使用的光源和检测器相比，cw光源和检测器通常更稳定并且具有较低的噪声特性；缺点：难以解决散射引起的组织吸收以及无法成像荧光寿命的问题。
[0089]
优选地，本发明方法通过对荧光成像的信号进行特殊处理，获得较好的频率信号，即得到较高的清晰度，减少了繁杂的运算，能够很好地应用于植物胁迫分析研究。
[0090]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编
程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0091]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0092]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0093]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。