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法律状态信息
法律状态
2022-08-12
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G06T 5/00 专利号:ZL2013103818065 申请日:20130828 授权公告日:20160330
专利权的终止
2016-03-30
授权
授权
2013-12-18
实质审查的生效 IPC(主分类):G06T5/00 申请日:20130828
实质审查的生效
2013-11-27
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种生物活体激发荧光成像图像预处理方法,具体涉 及一种生物活体激发荧光成像的背景荧光干扰去除方法。
背景技术
生物活体激发荧光成像是近年发展起来的一种成像模态,它利用 外部光源激发生物活体体内荧光探针,采用荧光采集装置拍摄生物活 体体表荧光信号并进行分析,能够对活体状态下的生物过程进行细胞 和分子水平的定性和定量研究,被广泛用于疾病早期诊断、疗效监测、 新药研发等领域。
背景荧光来自荧光探针在非目标处的分布代谢和生物活体自身 某些组织,比如小动物肠子、脂肪、皮肤等组织受外部光源激发后产 生的荧光。在400nm-700nm可见光波段,背景荧光信号较强,对目标 荧光信号的检测产生干扰,严重时将淹没有用的目标荧光信号。
现有技术中,通常采集不同波长的荧光图像,对荧光图像进行数 值处理,从而去除背景荧光干扰。中国发明专利申请,公开号: CN102096914A,公开了一种生物荧光图像中自体荧光干扰的去除方 法。该方法采集两幅不同波段的激发荧光图像,经过聚类分析和种子 漫水等数值方法处理,最终去除自体荧光干扰。该方法要求激发荧光 图像一中染料的激发效率高于激发荧光图像二中荧光染料的激发效 率,且激发荧光图像一的激发光波长大于激发荧光图像二的激发波 长。但是不难看出,上述方法在实施过程中存在以下缺陷:
1、需要两个不同波长的激发光源,对成像系统硬件有一定要求;
2、要求使用的荧光染料在长波长下的激发效率要高于短波长下 的激发效率,对使用的荧光染料有一定要求;
3、采用聚类分析和种子漫水等数值方法,运算比较复杂。
发明内容
针对目前技术存在的缺陷,本发明的目的是提供一种对激发光源 和荧光染料无特殊要求、运算简单的去除背景荧光干扰的方法。
为实现所述目的,本发明提供的方法利用生物活体荧光成像过程 中有用荧光强度和背景荧光干扰强度随时间变化程度不同的特性,通 过正交投影运算,达到去除背景荧光干扰的目的。采用的技术方案如 下:
一种生物活体激发荧光成像中的去除背景荧光干扰的方法,所述 方法包括以下步骤:
(1)采集图像;连续采集K幅同一波长光源激发下的生物活体 表面的原始荧光图像,记为Aj,j=1,2,...,K,同时每幅原始荧光图像 由M×N个像素组成,其中,M为图像中像素的行数,N为图像中像素 的列数;
(2)图像拼接;将所述K幅原始荧光图像进行拼接,得到拼接 图像B,所述拼接图像B由K×L个像素组成,其中,K为图像中像素 的行数,L=M×N为图像中像素的列数;
(3)计算所述拼接图像B的第一归一化非负主分量,标记为v, 利用该归一化非负主分量构建正交投影矩阵,标记记为P;
(4)利用正交投影矩阵P对所述拼接图像B进行投影操作,获 得投影后的组合图像C,再对所述图像C的第一行进行重组,获得一 幅包含M行N列像素的荧光图像D,完成生物活体荧光成像的背景荧 光干扰去除。
需要说明的是,所述拼接图像B的步骤包括:将采集的每一幅原 始荧光图像的第1行到第M行拼成一行,该行包括L个像素,由K幅 图像得到K行像素,该K行像素自上而下排列,构成一幅包含K行L 列像素的组合图像。
需要说明的是,所述正交投影矩阵为:
其中,v为第一归一化非负主分量,I为单位矩阵,K为采集图 像的幅数,T为转置算子。
需要说明的是,所述去除背景荧光干扰后的荧光图像D包括以下 步骤:
(1)将所述组合图像C的第1行像素等分成M份,每一份包括 N个像素;
(2)将获得的M份N个像素自上而下排列,获得一幅由M行N 列像素构成的去除背景荧光干扰的荧光图像D。
作为一种优选的方案,所述步骤1中的K取值范围为4~8。
本发明的有益效果在于:
1、仅需一个波长的激发光源,对生物活体荧光成像系统硬件无 特殊要求;
2、对荧光染料在不同波长下的激发效率无要求;正交投影通过 矩阵相乘完成,运算简单;
3、本法明应用范围广,通用性强,计算复杂度低。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程示意图;
图2为图像拼接示意图;
图3为仿真实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的生物活体荧光成像中的去除背 景荧光干扰方法技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是,所 描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解,而对其不起任何限定作 用。
如图1所示,一种生物活体激发荧光成像中的去除背景荧光干扰 的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)采集图像;连续采集K幅同一波长光源激发下的生物活体 表面的原始荧光图像,记为Aj,j=1,2,...,K,每幅原始荧光图像由M ×N个像素组成,其中,M为图像中像素的行数,N为图像中像素的 列数;
(2)图像拼接;将所述K幅原始荧光图像进行拼接,得到拼接 图像B,所述拼接图像B由K×L个像素组成,其中,K为图像中像素 的行数,L=M×N为图像中像素的列数;
(3)计算所述拼接图像B的第一归一化非负主分量,标记为v, 利用该归一化非负主分量构建正交投影矩阵,标记记为P;
(4)利用正交投影矩阵P对所述拼接图像B进行投影操作,获 得投影后的组合图像C,再对所述图像C的第一行进行重组,获得一 幅包含M行N列像素的荧光图像D,完成生物活体荧光成像的背景荧 光干扰去除。
需要说明的是,所述拼接图像B的步骤包括:将采集的每一幅原 始荧光图像的第1行像素到第M行像素拼成一行像素,像素个数为L, 由K幅图像得到K行像素,该K行像素自上而下排列,构成一幅包含 K行L列像素的组合图像。
需要说明的是,所述正交投影矩阵为:
其中,v为第一归一化非负主分量,I为单位矩阵,K为采集图 像的幅数,T为转置算子。
需要说明的是,所述去除背景荧光干扰后的荧光图像D包括以下 步骤:
(1)将所述组合图像C的第一行像素等分成M份,每一份包括 N个像素;
(2)将获得的M份N个像素自上而下排列,获得一幅由M行N 列像素构成的去除背景荧光干扰的荧光图像D。
作为一种优选的方案,所述步骤1中的K取值范围为4~8。
为了更好的理解本发明,下面结合仿真实验对本发明的效果进一 步的描述。
仿真条件:标记生物活体为裸鼠。
(1)获取测量数据。采用与荧光探针吸收峰波长匹配的激发光 源照射体内有该荧光探针标记的裸鼠,在该波长光源激发下,利用高 灵敏度CCD相机按照一定的时间间隔连续采集裸鼠体表的原始荧光 图像,一共采集6幅,记为Aj,j=1,2,...,6。
需要说明的是,图像采集设备为高灵敏度CCD相机,其像素个数 为512×512,因此,采集到的每幅原始荧光图像均由512×512个像 素构成。
(2)图像拼接。图像拼接过程如图2所示,先将每一幅原始荧 光图像的第1行的512个像素到第512行的512个像素拼成一行像素, 此一行像素个数为512×512=262144,对6幅原始荧光图像进行拼接 可以得到6行像素;再将该6行像素从上至下排列,构成一幅包含6 行262144列像素的拼接图像B。
(3)计算拼接图像B的第一非负主分量u。拼接图像B的第一 非负主分量u可通过求解下述优化问题得到:
则第一非负主分量u=Bβ。由于背景荧光干扰分布在裸鼠全身, 而有用目标信号分布在裸鼠局部,所以第一非负主分量u包含的是背 景荧光干扰信号。对u进行归一化得到v,数学上,v代表背景荧光 干扰信号子空间。利用该归一化非负主分量构建正交投影矩阵P,计 算公式为其中,I为6×6的单位矩阵,除主对角线6 个元素为1外,其余元素均为0。
(4)利用正交投影矩阵对步骤(2)中的拼接图像B进行正交投 影操作,将拼接图像投影到背景荧光干扰图像的正交子空间,得到图 像C。由于图像位于背景荧光干扰C的正交子空间,所以,图像C中 不包括背景荧光干扰信息。数学上,正交投影通过矩阵相乘实现,图 像C的计算公式为C=PB。图像C由6行262144列像素构成。按照步 骤(2)相逆的方法,对图像C第一行进行重组,得到一幅包含512 行512列像素的荧光图像,该荧光图像中不再包含背景荧光信号,从 而完成生物活体荧光成像中的背景荧光干扰去除。
其中,需要说明的是,对步骤(3)中的优化问题可采用迭代方 法求解,求解详细步骤如下:
(3a)初始化:β=[1 1 1 1 1 1]T;
(3b)迭代计算:
(3c)迭代停止判断:若||BTα-β||2≤ε,迭代计算停止;否则,继 续步骤(3b)中的迭代计算。ε一般取10-6。
如图3所示,显示了三组仿真实验结果。图中,a1,a2,......, a6为同一波长光源激发下的6幅裸鼠体表的原始荧光图像,图中包 括目标荧光信号和背景荧光信号,可以看到,背景荧光信号对目标荧 光信号形成一定干扰。图b所示为由6幅原始荧光图像构成的拼接图 像。图c1和图c2为所示的采用本发明方法去除背景荧光干扰前后的 荧光图像。可以看到,图c2背景荧光干扰被有效去除。
对于本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构 思,做出其它各种相应的改变以及变形,而所有的这些改变以及变形 都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
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