一种基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方法

摘要

本发明公开了一种基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方法，其包括：步骤1、通过在同一旋转角度下，移动样本与显微装置的相对位置，采集不同聚焦位置上的二维图像序列；步骤2、在所述二维图像序列中，选取每个像素位置在该二维图像序列中最清晰的点进行合成，生成全景深图。本发明可实现光学投影断层成像系统采集的不同聚焦位置图像融合，得到的全景深图像用于三维重建，提高了三维图像的分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学投影断层成像技术领域，尤其涉及一种基于景深 融合的光学投影断层成像图像获取方法。

背景技术

光学投影断层成像(Optical Projection Tomography，OPT)技术可以 实现1-10毫米尺度生物样本的结构和分子特异性成像。OPT成像过程中 样本比较薄且相对透明，可见光穿过样本时散射效应可以忽略不计，样本 对光子主要表现为吸收作用，因此可认为光线沿直线传播穿过样本。OPT 扫描时将样本固定在一个高精度旋转台上，采用高稳定的LED或激光器 作为照射源，照射在样本上，穿过样本的光信号通过显微装置放大后传输 到高灵敏度的电子倍增式CCD探测器，由CCD探测器采集并成像，系统 每采集一幅二维投影图，旋转台旋转一个固定角度，系统采集下一幅图像， 依次共采集360°范围内的投影数据。因此，光学投影断层成像系统扫描 采集到的数据是一系列不同角度下光线穿过样本的二维投影图像。将所有 投影图像运用滤波反投影方法进行重建，即可得到三维图像。二维投影图 的清晰与否，直接关系到三维图像分辨率的高低。

光学投影断层成像技术属于显微成像。在显微光学成像中，低倍显微 镜工作距离长，景深比较大，由于显微镜物镜焦深范围小，随着放大倍数 的增大，景深会相应减小。只有那些在聚焦平面或其附近的结构才是可见 的，这使得即便是结构最简单的、三维深度相对平坦的物体也不可能在一 幅图像中完全聚焦清晰。而在光学投影断层成像中，样本厚度一般为 2～3mm，当高倍数放大后景深问题变得尤为严重。而观察样本时，要求显 微镜成像既要有更高的分辨率又要有足够的景深，这是传统光学硬件的矛 盾。然而对于光学投影断层成像而言，这又是不得不解决的问题，所以景 深问题是制约光学投影断层成像获得高分辨率图像的一个瓶颈。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于景深融合的光学投影断层成 像图像获取方法。该方法包括：

步骤1、通过在同一旋转角度下，移动样本与显微装置的相对位置， 采集不同聚焦位置上的二维图像序列；

步骤2、在所述二维图像序列中，选取每个像素位置在该二维图像序 列中最清晰的点进行合成，生成全景深图。

本发明可实现光学投影断层成像系统采集的不同聚焦位置图像融合， 得到的全景深图像用于三维重建，提高了三维图像的分辨率。

附图说明

图1为本发明实施例中基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方 法中成像系统数据采集的原理示意图；

图2为本发明实施例中基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方 法中图像合成的步骤流程图；

图3为本发明实施例中基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方 法的具体实验结果图。

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，而是在可接受 的误差容限或设计约束内近似于所述值。

本发明公开了一种基于景深融合的光学投影断层成像图像获取方法。 本发明专门针对光学投影断层成像在某一固定旋转角度下、不同聚焦位置 图像进行景深融合，选取每个像素位置在图像序列上最清晰点的像素值作 为合成图像上该像素的灰度值进行图像融合，生成全景深图，从而提高三 维图像的分辨率。

本发明公开的上述方法分为两个主要步骤：数据获取、图像融合。其 中，数据获取步骤用于利用光学投影断层成像采集某一固定旋转角度下、 不同聚焦位置的二维序列图像；图像融合步骤用于根据所获取到的二维图 像序列中每个像素位置在该二维图像序列上最清晰的点进行合成，生成全 景深图，用于三维重建，从而提高三维重建体分辨率。

本发明公开的上述方法的详细步骤如下：

步骤S1：通过在同一旋转角度下，移动样本与显微装置的相对位置， 采集到不同聚焦位置上的二维图像序列。

光学投影断层成像技术属于显微成像，当样本尺寸非常小时，需要采 用高放大倍数的显微装置，进行光信号放大。而高倍数放大时，景深随之 变得非常小，这将导致在某一固定角度下不能采集到每个位置都很清晰的 图像。但是在实际使用光学投影断层成像系统时，要求成像既要有高的分 辨率又要有足够的景深，这是传统光学硬件的矛盾。解决此问题的一个有 效方法是利用数字图像处理技术，对图像序列进行景深融合。

图1示出了本发明中成像系统进行数据采集的原理示意图。如图1所 示，显微装置和样本旋转中心在同一轴线上。通过径向移动样本与显微装 置的相对位置，并采集数据，使得样本的所有清晰部分都包含在所采集到 的图像序列中。水平平移台步距选择通过单方向移动平移台，使得样本在 探测器上的图像由模糊到清晰，再到模糊。整个过程中，在第一次模糊后， 出现第一个聚焦清晰的位置为该次图像序列采集的起点，逐步等距移动样 本，使得图像再次模糊后，前一次聚焦清晰位置为终点，记录下所移动的 步数和步距，重复下一个角度的数据采集，直到采集完360°范围内不同 旋转角度下的所有数据。其中，在采集图像前需要调整样本位置处于探测 器的成像区域中，被采集到的二维图像序列之间Y轴和Z轴位置不发生变 化，而它们之间的步距(即X轴方向上的位置)影响最终生成的全景深图 像的清晰度；水平平移台的运动通过计算机软件控制，从而可获得步距精 确且均匀的二维图像序列。

步骤S2：在所述二维图像序列中，选取每个像素位置在图像序列上最 清晰点的像素值作为合成图像上该像素的灰度值进行图像融合，生成全景 深图。即针对步骤S1得到的某一角度下的多张不同聚焦位置的二维序列 图像，进行景深融合。

图2示出了本发明中对不同聚焦位置的序列图像进行景深融合的步骤 流程图。如图2所示，该步骤具体包括：

第一步，根据所采集序列图像的大小，设定目标合成图像像素矩阵 M₀和用于中间数据处理的矩阵T的大小，其大小等于所采集图像的像素 大小，并将M₀和T初始化为零矩阵，同时，初始化比较图层序号i＝1；

第二步，输入待比较的图层数N，即一共有N幅不同聚焦位置的图像；

第三步，判断待比较图像是否已经完成比较，即i是否等于N，若未 完成比较，则i＝i+1，并转向第四步，否则转向第六步；

第四步，将待比较图像像素矩阵M_i与目标合成图像像素矩阵M₀进行 比较，生成中间矩阵T，T中全部元素均为0或1，1代表在相应位置上 M_i的元素大于M₀中的元素；0代表在相应位置上M_i的元素不大于M₀中 的元素；其中，待比较图像像素矩阵M_i中的元素为所采集的序列图像中 待比较图像的像素值。

第五步，根据生成的中间矩阵T更新目标合成图像像素矩阵M₀，即 在中间矩阵中元素为1的位置，使用M_i中的元素替代M₀相应位置的元素， 使用图像M_i中的像素值替代图像M₀相应位置的像素值，至此，完成一层 图像的融合；转向第三步继续判断，若未完成比较，则重复第四、第五步， 否则转向第六步；

第六步，完成图像融合，输出目标合成图像像素矩阵M₀；

第七步，某一角度的景深融合结束，M₀对应的图像即为该角度下的 景深融合图像。

图3示出了本发明中利用上述方法对果蝇蛹活体进行成像实验的结果 图。实验中采用活体果蝇蛹进行景深融合处理的光学投影断层成像，共采 集360°下的二维图像，每个角度采集6张不同聚焦位置的图像，即水平 平移台移动5次。

本实验选择平移台步进0.25毫米，移动5次，共采集6张图像。其结 果如图3中1、2、3、4、5、6所示，分别表示不同步距下采集到的二维 图像。可见，图像序列中图像由模糊到清晰再到模糊，且每张都有清晰的 部分。采集到的图像按顺序依次保存，便于图像融合。其中7所示为该角 度下运用景深融合得到的全景深图像，由图中可见，该图像集合了图3中 1～6幅图中的清晰位置。这将明显改善单一图像的不足，提高结果图像的 清晰度及信息包含量，为进一步的科研分析提供更多的样本信息。

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。