CN107219619A - 三维折射率层析显微成像系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维折射率层析显微成像系统及其方法，该系统包括：光照提供模块，用于提供带有光强编码的入射平行光；显微样本，位于所述光源产生模块的后端，用于对所述入射平行光进行相位编码，使所述入射平行光照射所述显微样本后的出射光线带有所述显微样本的三维折射率场信息；显微成像模块，位于所述显微样本的后端，用于将所述出射光线形成图像；控制模块，用于对所述图像进行处理，以还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。本发明具有如下优点：通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像技术领域，具体涉及一种三维折射率层析显微成像系统及其方法。
背景技术
样本物体的三维折射率分布信息是样本固有的一个重要光学属性，对于透明生物样本而言，它可以提供样本物体的密度、结构等信息，从而为无标记的三维细胞成像提供了可能。
在现有的生命科学或者医学研究中，往往使用荧光成像来进行特异性的标记，从而进行相关研究，但这一标记的过程，仍然会对样本本身的性质产生一定的影响，从而影响最终的实验结果。而三维折射率成像可以非侵入式地观测到样本的三维折射率场信息，从而提供了样本不同区域的性质，因此它也是近年来的一个研究热点。
近年来，各种三维折射率显微成像被相继提出，大部分工作的思路都是在不同方向上对样本进行相干光照，测量出样本在不同方向上的相位信息，从而使用层析成像的方法计算出样本的三维折射率场信息。但这些方法既对设备要求较高，都需要较为复杂的装置，而且每次成像过程时，都需要对样本拍摄多次，很难做到单次拍照即可恢复样本的三维折射率信息，对其快速动态拍摄提出了挑战。
因此，如何能够快速动态且高分辨率地对三维折射率显微信息进行采集，仍然是一个亟待解决并有重大意义的难题。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种三维折射率层析显微成像系统，该系统能够精确高分辨率且快速地对显微样本的三维折射率场进行动态采集，并且简单易行。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种三维折射率层析显微成像系统，包括：光照提供模块，用于提供带有光强编码的入射平行光；显微样本，位于所述光源产生模块的后端，用于对所述入射平行光进行相位编码，使所述入射平行光照射所述显微样本后的出射光线带有所述显微样本的三维折射率场信息；显微成像模块，位于所述显微样本的后端，用于将所述出射光线形成图像；控制模块，用于对所述图像进行处理，以还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。
进一步地，所述光照产生模块包括：光源模块，用于提供可调节传播方向的平行光；参考图案，位于所述平行光产生装置和所述显微样本之间且设置在所述平行光产生装置的像面上，用于对所述平行光进行强度调制；其中，所述控制模块还用于控制所述光源模块的照射角度。
进一步地，所述参考图案为具有纹理信息的胶卷、由所述控制模块控制的液晶附硅或DMD精微反射镜面。
进一步地，所述显微样本在各个视角下编码互不相同。
进一步地，还包括：显微样本移动装置，用于移动所述显微样本的位置；其中，所述控制装置用于控制所述显微样本移动装置对所述显微样本进行移动。
根据本发明实施例的三维折射率层析显微成像系统，通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。
为此，本发明的一个目的在于提出一种三维折射率层析显微成像方法，该方法能够精确高分辨率且快速地对显微样本的三维折射率场进行动态采集，并且简单易行。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种三维折射率层析显微成像方法，包括上述实施例所述的三维折射率层析显微成像系统，所述方法包括以下步骤：
将系统视野调整至无样本区域，使用所述三维折射率层析显微成像系统获得各视角下无扭曲的参考图像；保持所述三维折射率层析显微成像系统原有结构、参数以及光照不变，将系统视野调整至动态观察所述显微样本的位置，拍摄获得各视角下带有扭曲的显微样本动态视频；计算各视角下视频帧与所述参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型以及层析成像原理，重构还原出所述显微样本的三维折射率信息。
进一步地，所述计算各视角下视频帧与所述参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型以及层析成像原理，重构还原出所述显微样本的三维折射率信息进一步包括：根据各个视角下采集的动态扭曲的视频帧图像以及静态参考图像，使用光流算法计算各个视角下每个像素点的扭曲偏移角；根据各个视角下每个像素点的偏移角，使用层析成像算法，重构还原出动态的显微样本三维折射率场信息。
根据本发明实施例的三维折射率层析显微成像方法，通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的三维折射率层析显微成像系统的结构框图；
图2是本发明一个实施例的三维折射率层析显微成像系统的结构示意图；
图3是本发明实施例的三维折射率层析显微成像方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明实施例的三维折射率层析显微成像系统的结构框图。如图1所示，根据本发明实施例的三维折射率层析显微成像系统100，包括光照提供模块110、显微样本120、显微成像模块130和控制模块140。
其中，光照提供模块110用于提供带有光强编码的入射平行光。
在本发明的一个实施例中，光照提供模块110包括光源模块111和参考图案112。其中，光源模块111为可以调节方向的平行光产生装置，其调节扫描过程可以由计算控制模块进行控制，从而与传感器拍摄过程达成同步；参考图案112由计算控制模块控制，提供任意所需的纹理丰富的静态图案，放置于光源模块的像面上，对光照进行强度调制。
在本发明的一个实施例中，参考图案112为具有纹理信息的胶卷、由所述控制模块140控制的液晶附硅(LCOS)或DMD精微反射镜面。
在本发明的一个实施例中，光照提供模块110的对焦位置在显微样本120附近几十至几百微米处，具体大小视具体样本大小及相机参数设置。
显微样本120位于所述光源产生模块110的后端，用于对所述入射平行光进行相位编码，使所述入射平行光照射所述显微样本后的出射光线带有所述显微样本的三维折射率场信息。
图2是本发明一个实施例的三维折射率层析显微成像系统的结构示意图。如图2所示，光照端的光线聚焦于显微样本120附近，该聚焦面即为参考图案112的像面，然后光线再经过显微样本120进行相位调制，从而对光线进行了偏移扭曲。为了提高算法恢复的精度，参考图案112为特殊设计的带有丰富纹理的图案。
显微成像模块130位于所述显微样本120的后端，用于将所述出射光线形成图像
在本发明的一个实施例中，显微成像模块130包括物镜、镜筒透镜以及相机传感器。其中，物镜、镜筒透镜用于将参考图案112以及显微样本120放大成像于传感器上；相机用于对输出的光线进行动态成像。
在本发明的一个实施例中，显微成像模块130的数值孔径(NA)很大，且远大于光照提供模块110的数值孔径(NA)。
控制模块140包括计算机、拍摄控制装置、参考图案控制装置、光源扫描控制装置、样本移动控制装置等。其中，计算机可以对采集获得的视频图像信息进行处理，重构获得动态的相位信息；拍摄控制装置可以对相机传感器的拍摄触发时间、曝光时间等拍摄参数进行控制；参考图案控制装置可以控制提供各种纹理丰富的静态参考图案112；光源扫描控制装置可以控制光源的平行光传播方向，并与拍摄控制装置进行同步，从而对多个光照视角下的样本图像进行快速连续拍摄；样本移动控制装置可以控制参考图案112的像面以及显微样本120在各个方向进行移动。
本发明实施例的三维折射率层析显微成像系统，通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。
图3是本发明实施例的三维折射率层析显微成像方法的流程图。如图3所示，根据本发明实施例的三维折射率层析显微成像方法，包括上述实施例的三维折射率层析显微成像系统，该方法包括以下步骤：
S310：将系统视野调整至无样本区域，使用所述三维折射率层析显微成像系统获得各视角下无扭曲的参考图像。
具体地，如图2所示，系统将通过控制光源的入射光方向，从而对多个视角光照下的图像进行快速连续拍摄，获得各个视角下的无扭曲的参考图像。图2中虚线光线为视野内无样本时，中间视角下某一像素点对应的光路图，由于光路中不存在进行相位调制的样本，因此拍摄获得的图像即为被无扭曲参考图像112在各个视角下的观察图像。该步骤为采集前的预先准备工作，拍摄时相机的对焦位置与参考图案的对焦位置重合。
S320：保持所述三维折射率层析显微成像系统原有结构、参数以及光照不变，将系统视野调整至动态观察所述显微样本的位置，拍摄获得各视角下带有扭曲的显微样本动态视频。
具体地，如图2所示，系统将通过控制光源的入射光方向，从而对多个视角光照下的图像进行快速连续拍摄，获得某一时刻各个视角下的扭曲编码图像。图2中实线光线为视野内有目标样本时，各个视角下某一像素点对应的光路图，对于某一视角下的光路而言，其既经过了参考图案121进行了强度调制，也经过了显微样本122进行了显微调制，因此其拍摄获得的视频图像即为经过相位调制的扭曲图像，只与参考图像相差一个所需采集的相位信息。同时，各个视角下光路经过的路径各不相同，即编码的相位信息不同，由此即可重构出样本的三维折射率场信息。该步骤中采集系统的器件空间分布位置以及器件参数均不能发生改变，除了显微样本122，均需与步骤S310中的位置与参数保持一致，显微样本120的空间位置在相机的对焦位置附近几十到几百微米处。
S330：计算各视角下视频帧与所述参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型以及层析成像原理，重构还原出所述显微样本的三维折射率信息。
在本发明的一个实施例中，步骤S330进一步包括：
S331：根据各个视角下采集的动态扭曲的视频帧图像以及静态参考图像，使用光流算法计算各个视角下每个像素点的扭曲偏移角。
具体地，在本发明的一个实施例中，由于拍摄采集每帧视频图像与参考图像时，光照基本没有发生变化，且两者之间的扭曲变化并不大，因此可以使用光流算法对每个视角下的匹配对应关系进行独立求解，问题的优化目标函数为：
J(w(x,t))＝Ed(w(x,t))+αEm(w(x,t))
其中，J(s(x),w(x,t))为最小化的优化目标函数，Ed(w(x,t))为优化目标函数的数据项，Em(w(x,t))为扭曲的正则化项。进一步地，优化目标函数的数据项为：
其中，T为求解的视频帧数，表示像素坐标x的取值范围，I(x,t)为t时刻下某个视角下扭曲视频帧图像，0时刻该视角下对应的拍摄到的参考图像，w(x,t)＝[u(x,t),v(x,t)]为t时刻该视角下扭曲视频帧与无扭曲图像之间的扭曲大小，为凸的近似L1范数先验，ε为一个人为给定的很小的正数。
优化目标函数的扭曲的正则化项为：
S332：根据各个视角下每个像素点的偏移角，使用层析成像算法，重构还原出动态的显微样本三维折射率场信息。
本发明实施例的三维折射率层析显微成像方法，通过拍摄各个视角下不含有样本的未扭曲参考图像以及含有样本的扭曲动态视频，即可精确、高分辨率且较快速地对显微样本的三维折射率信息进行采集。
另外，本发明实施例的三维折射率层析显微成像方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (7)
1.一种三维折射率层析显微成像系统，其特征在于，包括：
光照提供模块，用于提供带有光强编码的入射平行光；
显微样本，位于所述光源产生模块的后端，用于对所述入射平行光进行相位编码，使所述入射平行光照射所述显微样本后的出射光线带有所述显微样本的三维折射率场信息；
显微成像模块，位于所述显微样本的后端，用于将所述出射光线形成图像；
控制模块，用于对所述图像进行处理，以还原重构出所述显微样本的三维折射率信息。
2.根据权利要求1所述的三维折射率层析显微成像系统，其特征在于，所述光照产生模块包括：
光源模块，用于提供可调节传播方向的平行光；
参考图案，位于所述平行光产生装置和所述显微样本之间且设置在所述平行光产生装置的像面上，用于对所述平行光进行强度调制；
其中，所述控制模块还用于控制所述光源模块的照射角度。
3.根据权利要求2所述的三维折射率层析显微成像系统，其特征在于，所述参考图案为具有纹理信息的胶卷、由所述控制模块控制的液晶附硅或DMD精微反射镜面。
4.根据权利要求1所述的三维折射率层析显微成像系统，其特征在于，所述显微样本在各个视角下编码互不相同。
5.根据权利要求4所述的三维折射率层析显微成像系统，其特征在于，还包括：
显微样本移动装置，用于移动所述显微样本的位置；
其中，所述控制装置用于控制所述显微样本移动装置对所述显微样本进行移动。
6.一种三维折射率层析显微成像方法，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的三维折射率层析显微成像系统，所述方法包括以下步骤：
将系统视野调整至无样本区域，使用所述三维折射率层析显微成像系统获得各视角下无扭曲的参考图像；
保持所述三维折射率层析显微成像系统原有结构、参数以及光照不变，将系统视野调整至动态观察所述显微样本的位置，拍摄获得各视角下带有扭曲的显微样本动态视频；
计算各视角下视频帧与所述参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型以及层析成像原理，重构还原出所述显微样本的三维折射率信息。
7.根据权利要求6所述的三维折射率层析显微成像方法，其特征在于，所述计算各视角下视频帧与所述参考图像每个像素之间的匹配关系，并根据建立的光路模型以及层析成像原理，重构还原出所述显微样本的三维折射率信息进一步包括：
根据各个视角下采集的动态扭曲的视频帧图像以及静态参考图像，使用光流算法计算各个视角下每个像素点的扭曲偏移角；
根据各个视角下每个像素点的偏移角，使用层析成像算法，重构还原出动态的显微样本三维折射率场信息。
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2018
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