TDI-fMOST系统三维鼠脑荧光图像的配准方法研究

摘要

神经元是大脑的基本结构和功能单元，是脑研究的关键所在。基于时间延迟积分相机的荧光显微切片成像系统（TDI-fMOST）是本实验室自主研发的显微光学成像系统，结合荧光蛋白的化学重激活方法，可实现高精度，高通量的生物组织成像，为神经科学研究提供了丰富的研究素材。利用TDI-fMOST系统鼠脑荧光图像来研究单个神经元的完整形态及其投射是本实验室研究的方向之一。为了便于单个神经元的解析和追踪，鼠脑样本采用稀疏标记的策略，但稀疏标记会导致单个鼠脑中感兴趣的特定类型神经元数量不足，无法进行深入的形态学和投射类比分析。因此，对三维鼠脑荧光图像进行配准，把不同鼠脑中被标记的神经元映射到同一个参考鼠脑中进行相应的可视化与类比分析是非常重要的。 本文针对TDI-fMOST系统数据集设计了一套完整的三维鼠脑荧光图像的配准方法：先对三维鼠脑荧光图像进行图像的预处理，包括图像的降采样和投影、手工去除杂质干扰信号、滚球法背景归一化等。再以互信息为相似性测度，基于轮廓提取对鼠脑荧光图像进行线性的全局刚性配准，基于Demons对称微分同胚算法对鼠脑荧光图像进行非线性的局部精细配准。同时，本文在信息学和生物学角度上对三维鼠脑荧光图像的配准质量作了客观评价，先用相似性测度分析法对配准前后的图像相似度进行分析，再用区域占比法对显著脑区的分割质量作定量的评估。在上述基础上，本文应用图像配准的变换参数将不同鼠脑中同种类型的神经元映射到同一个参考鼠脑内，为进一步的神经元可视化与类比分析研究提供了基础。 通过本文的研究，成功的设计了一套可行的三维鼠脑荧光图像配准方法，该方法可实现对鼠脑外轮廓以及显著脑区较好的配准，且已经在神经元映射及其三维可视化对比分析中有了初步的应用。

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