專利名稱：自動處理景深的光學投影斷層成像方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學投影斷層成像技術，尤其涉及一種自動處理景深的光學投影斷層成像方法。
背景技術：
光學投影斷層成像(OPT)技術可以實現(xiàn)1-10毫米尺度生物樣本的結構和分子特異性成像，具有分辨率高、結構功能一體化、無輻射、成本低等諸多優(yōu)點，它可以在小尺度對活體生物進行細胞水平的定性和定量研究，實現(xiàn)生物體的實時、無創(chuàng)、動態(tài)、在體成像。當前，OPT技術已被應用于小鼠等小動物胚胎、完整器官的成像以及果蠅等模式動物的成像。小鼠、果蠅這些模式動物的OPT成像對于研究基因表達、蛋白質(zhì)相互作用、臨床前藥物研發(fā)等都具有重要的意義。OPT成像技術的出現(xiàn)為小動物胚胎成像、組織器官成像、果蠅等小的模式動物成像提供了有力的研究手段，推動了生物科學基礎研究的發(fā)展。OPT成像過程中樣 本比較薄且相對透明，可見光穿過樣本時散射效應可以忽略不計，樣本對光子主要表現(xiàn)為吸收作用，因此可認為光線沿直線傳播穿過樣本。OPT掃描時將樣本固定在一個高精度旋轉(zhuǎn)臺上，采用高穩(wěn)定的LED或激光器作為照射源，以高靈敏度的EMCCD探測器作為接收設備，系統(tǒng)每采集一幅二維投影圖，旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一個固定角度，系統(tǒng)采集下一幅圖像，依次共采集360°范圍內(nèi)的投影數(shù)據(jù)。因此，光學投影斷層成像系統(tǒng)掃描采集到的數(shù)據(jù)是一系列不同角度下光線穿過樣本的二維投影圖像。將所有投影圖像運用濾波反投影(Filtered Back-Projection,以下簡稱FBP)方法進行重建，即可得到三維重建體。二維投影圖的清晰與否，直接關系到三維重建體分辨率的高低。光學投影斷層成像技術屬于顯微成像，成像視野較小，放大倍數(shù)較高，導致物方景深非常有限。再加上機械裝置徑向誤差、樣本旋轉(zhuǎn)運動等可能導致開始聚焦很清晰的圖像在旋轉(zhuǎn)一定角度后變得很模糊。所以景深問題是困擾光學投影斷層成像獲得高分辨率圖像的一個瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種自動處理景深的光學投影斷層成像方法。一種自動處理景深的光學投影斷層成像方法，包括通過在旋轉(zhuǎn)中心上徑向移動樣本位置，在同一角度、不同焦距下采集到一系列樣本的投影圖；將所述投影圖按照均方差值選取圖像清晰的投影圖，用于三維圖像重建。本發(fā)明可快速實現(xiàn)光學投影斷層成像景深自動處理，選取清晰的二維投影圖用于三維重建，提高了重建體的分辨率。
圖I為本發(fā)明實施例自動處理景深的光學投影斷層成像方法中，關于成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的示意圖；圖2為本發(fā)明實施例自動處理景深的光學投影斷層成像方法中，關于果蠅蛹投影數(shù)據(jù)篩選過程；圖3為本發(fā)明實施例自動處理景深的光學投影斷層成像方法中，針對果蠅蛹進行景深自動處理后，三維重建結果圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于所述值。本發(fā)明是一種自動處理景深的光學投影斷層成像方法。本發(fā)明專門針對光學投影斷層成像在同一角度、不同焦距下采集到的投影圖，進行數(shù)據(jù)篩選，從而提高三維重建體分辨率。目前光學投影斷層成像一般選擇物體在旋轉(zhuǎn)運動下，采集二維投影圖。由于機械徑向誤差和物體旋轉(zhuǎn)運動會導致開始聚焦很清晰的圖像，運動一段時間后，旋轉(zhuǎn)出顯微裝置景深范圍，而導致探測器捕捉到的投影圖模糊。如圖I所示，探測器、顯微裝置和樣本旋轉(zhuǎn)中心在同一軸線上。探測器通過顯微裝置聚焦于樣本，使得樣本成像清晰，然后以平行于探測器主光軸方向移動樣本。根據(jù)探測器獲取的圖像由模糊到清晰，再到模糊，確定樣本的初始位置為靠近探測器方向較模糊的圖像位置，移動步進距離為總距離(即樣本由模糊到清晰，再到模糊的過程所移動的距離)除以移動次數(shù)N。本發(fā)明實施例采用的多景深掃描方式，采集在同一角度、不同焦距下的二維投影圖，選擇樣本在該角度下處于景深中的投影圖(即清晰的投影圖)，用于三維重建。本發(fā)明專門針對小景深顯微成像，具有快速、高分辨率的特點。本發(fā)明的實現(xiàn)方案分為兩個主要步驟數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)篩選。其中，數(shù)據(jù)采集步驟可以采集同一角度、不同景深的二維投影圖；數(shù)據(jù)篩選步驟將同一角度、不同景深下的二維投影圖，根據(jù)每幅圖的均方差值選擇清晰的圖像，用于三維重建。下面利用果蠅蛹活體成像實驗描述本發(fā)明的步驟，實驗中采用活體果蠅蛹進行自動景深處理的光學投影斷層成像，共采集360個角度的投影圖，即旋轉(zhuǎn)臺每旋轉(zhuǎn)1° (或根據(jù)需要，旋轉(zhuǎn)臺可以旋轉(zhuǎn)小于1°或大于1° )，采集一幅投影圖。成像系統(tǒng)中樣本共移動6次，采集了 7個不同景深位置的二維投影圖，即360*7 = 2520，共采集了 2520幅投影圖。以活體果蠅蛹實驗為例，本發(fā)明的 詳細步驟如下步驟SI :本步驟針對自動處理景深方法的數(shù)據(jù)采集。通過徑向移動(平行探測器方向)樣本位置，使樣本在探測器上的投影圖由模糊到清晰再到模糊，樣本靠近探測器側(cè)模糊投影的樣本位置作為樣本移動的初始位置，并記錄。定量的移動樣本，移動距離盡量小，每一步移動距離L。逐步移動并記錄，直到樣本投影圖由模糊到清晰再到模糊，停止移動，并記錄移動的次數(shù)K。則樣本移動的總距離為L ·Κ，表明樣本在這一段距離內(nèi)的投影圖至少有一張很清晰。按照以下公式計算步距d =其中d為樣本移動的步進距離，單位為微米。因為顯微裝置的景深非常小，通過高精度平移臺控制樣本移動距離。L為預調(diào)節(jié)階段每一步的移動距離，單位為微米。預調(diào)節(jié)階段是在實驗前，目的為測出樣本從模糊到清晰再到模糊的過程中樣本移動的距離。K為預調(diào)節(jié)階段移動的步數(shù)。N為試驗中，根據(jù)實驗精度，確定的移動步數(shù)。若實驗要求分辨率高，N值設定較大；若實驗要求速度更快，N值設定較小。本實驗選擇L = 125微米，K = 12，則共移動1500微米，包含了果蠅蛹成像清晰的位置。確定實驗中樣本的移動次數(shù)N，根據(jù)實驗要求精度和數(shù)據(jù)采集速度確定移動次數(shù)。一般精度要求高，則移動次數(shù)N偏大，但此時數(shù)據(jù)采集量大，采集速度慢，一般選擇N < 10，本實驗選擇N = 6,則實驗中樣本步進距離為125X 12/6 = 250微米。接下來開始數(shù)據(jù)采集，如圖I所示，需采集360°的投影圖，試驗中每旋轉(zhuǎn)1°采集一張。為了提高采集速度，采集某一樣本位置下的360°范圍內(nèi)投影圖，再移動樣本位置，采集該360°范圍內(nèi)的投影圖。通過每次旋轉(zhuǎn)臺校正，確保采集的角度為同一角度。步驟S2 :本步驟針對選取某一角度下，圖像清晰的二維投影圖用于三維重建。針對步驟SI得到的某一角度下7張不同景深的投影圖，如圖2所示，從圖中可以分辨出，在這7張投影圖中，依次由模糊到清晰再到模糊。如果用模糊的投影圖進行三維重建，該三維重建體分辨率不高，影響實驗結果分析。通過每幅圖像的均方差值，選擇其值較大的圖像用于后續(xù)三維重建。按照以下公式計算均方差值
權利要求
1.一種自動處理景深的光學投影斷層成像方法，包括通過在旋轉(zhuǎn)中心上徑向移動樣本位置，在同一角度、不同焦距下采集到一系列樣本的投影圖；將所述投影圖按照均方差值選取圖像清晰的投影圖，用于三維圖像重建。
2.按權利要求I所述的方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)中心每次旋轉(zhuǎn)小于1°或大于1°。
3.按權利要求I所述的方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)中心每次旋轉(zhuǎn)1°
4.按權利要求3所述的方法，其特征在于旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)360°。
5.按權利要求I所述的方法，其特征在于確定樣本的初始位置和每一步的移動距離。
6.按權利要求5所述的方法，其特征在于，按照以下公式計算步距
7.按權利要求I所述的方法，其特征在于，采集樣本在某一位置下的360°范圍內(nèi)的投影圖，再徑向移動樣本采集360°范圍內(nèi)的投影圖。
8.按權利要求I所述的方法，其特征在于，同一角度、不同焦距的投影圖按照每幅圖像的均方差值選擇清晰的投影圖用于三維重建。
9.按權利要求8所述的方法，其特征在于，按照以下公式計算均方差值
10.按權利要求9所述的自動處理景深的光學投影斷層成像方法，其特征在于，投影圖像的像素均值按照以下公式計算_
全文摘要
一種自動處理景深的光學投影斷層成像方法，包括通過在旋轉(zhuǎn)中心上徑向移動樣本位置，在同一角度、不同焦距下采集到一系列樣本的投影圖；將所述投影圖按照均方差值選取圖像清晰的投影圖，用于三維圖像重建。本發(fā)明可快速實現(xiàn)光學投影斷層成像景深自動處理，選取清晰的二維投影圖用于三維重建，提高了重建體的分辨率。
文檔編號A61B5/00GK102973246SQ20121051067
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權日2012年12月3日
發(fā)明者田捷, 郭進, 董迪, 楊鑫 申請人:中國科學院自動化研究所