CN104865195B - 光学投影断层成像的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的光学投影断层成像的检测方法，包括通过光学投影断层成像***采集第一图像数据，所述第一图像数据包括第一偏振条件图像数据、第二偏振条件图像数据和第一样本透射图像数据；将所述第一样本透射图像数据进行处理得到透射三维数据；将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图；所述双折射组织区域图对所述偏振条件三维预数据进行反向投影得到偏振条件三维数据；将所述透射三维数据、所述双折射组织区域图和所述偏振条件三维数据进行分析。本发明可以有效地检测在光学投影断层成像***中的双折射组织。

Description

光学投影断层成像的检测方法

技术领域

本发明涉及光学投影断层成像技术，特别是涉及一种光学投影断层成像的检测方法。

背景技术

光学投影断层成像技术可分为透射式光学投影断层成像技术和激发式光学投影断层成像技术，它们均利用了光在经过透明化处理的亚厘米尺寸生物样本中近似沿直线传播的特点。其中，透射式光学投影断层成像技术利用光源发射可见光穿透样本，然后用相机采集多个角度的样品投影视图，进行三维成像；而激发式光学投影断层成像技术是用激光照射样本内的荧光物质，荧光物质接收激发光后发出发射光，用相机采集多个角度的荧光发射图，进行三维成像。

具体地，在进行光学投影断层成像时，需要对样品进行多角度扫描，一般采用电控转台对样品进行步进式旋转，每旋转到一个角度采集一幅或多幅投影图像，扫描过程中样本没有竖直方向和水平方向的移动，仅有转动。光学投影断层成像***最终采集到的数据是一系列不同角度下的二维图像数据，如果将所有二维图像的某一行都提取出来，按照扫描顺序依次按行叠加为一副图像，就可以得到一个类似正弦曲线的正弦图，每一幅正弦图对应了样品的一张水平重建断层，所有正弦图就对应了样品的三维断层重建体，从投影数据到样品三维断层结构的过程称为光学投影断层成像三维重建。

光学投影断层成像技术可以实现1-10毫米尺度生物样本的结构(透射式)和分子特异性功能(激发式)成像，其十几微米的分辨率可以满足各类生物医学研究中对样本组织结构描绘的需要。但同时，对样本结构进行成像的透射式光学投影断层成像存在许多不足，其中之一就是其只能考察被检测样本的光吸收性质，而样本在被光透明化后，其内部各组织之间的光吸收性质有时并没有十分明显的差异，这导致透射式光学投影断层成像对样本的三维重建结果，常常不能用于有效鉴定各组织，进而也难以测定其结构，不能为考察样本内部各组织之间的分布关系提供进一步帮助。

目前，在光学投影断层成像技术领域内，用于鉴别样本内各个组织，并描绘特定组织外轮廓的方法通常是使用激发式光学投影断层成像技术这一途径对样本进行检测，即通过转基因或样本荧光标记的方法将样本内感兴趣组织染色，进而通过检测被激发光照射后的样本内部发出的特定发射光来间接考察感兴趣组织的分布。可同时，在样本中加入荧光标记的过程会增加实验的复杂度，而如何让荧光物质充分地特异性地与大体积样本的特定组织结合至今仍然研究不够。

发明内容

本发明提供的光学投影断层成像的检测方法，可以有效地检测在光学投影断层成像***中的双折射组织。

根据本发明的一方面，提供一种光学投影断层成像的检测方法，包括：

通过光学投影断层成像***采集第一图像数据，所述第一图像数据包括第一偏振条件图像数据、第二偏振条件图像数据和第一样本透射图像数据；

将所述第一样本透射图像数据进行处理得到透射三维数据；

将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图；

所述双折射组织区域图对所述偏振条件三维预数据进行反向投影得到偏振条件三维数据；

将所述透射三维数据、所述双折射组织区域图和所述偏振条件三维数据进行分析。

本发明实施例提供的光学投影断层成像的检测方法，通过光学投影断层成像***采集第一偏振条件图像数据、第二偏振条件图像数据和第一样本透射图像数据，将第一偏振条件图像数据、第二偏振条件图像数据和第一样本透射图像数据进行处理分别得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图和透射三维数据，并且双折射组织区域图对偏振条件三维预数据进行反向投影得到偏振条件三维数据，并对透射三维数据、偏振条件三维预数据、双折射组织区域图和偏振条件三维数据的分析，从而可以有效地检测在光学投影断层成像***中的双折射组织。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光学投影断层成像的检测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的光学投影断层成像***原理图；

图3为本发明实施例提供的通过光学投影断层成像***在偏振条件下采集的图像数据示意图；

图4为本发明实施例提供的在偏振条件下采集的图像数据的偏振条件合成图；

图5为本发明实施例提供的对偏振条件三维数据进行三维数据的可视化的两个结果示意图；

图6为本发明实施例提供的将偏振条件三维数据和透射三维数据的绘制结果进行融合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例提供的光学投影断层成像的检测方法进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的光学投影断层成像的检测方法流程图。

参照图1，在步骤S101，通过光学投影断层成像***采集第一图像数据，所述第一图像数据包括第一偏振条件图像数据、第二偏振条件图像数据和第一样本透射图像数据。

这里，光学投影断层成像***包括光源模块和信号采集模块。光源模块包括光源、毛玻璃和可调起偏器；信号采集模块包括显微镜组、相机和可调检偏器，具体参照如图2所示的光学投影断层成像***原理图，其中，L为光源；P1为可调起偏器；S为样本；P2为可调检偏器；MS为显微镜；CIC为相机成像芯片。

光源可以为具有宽带输出的扩散白光源，其波长可覆盖整个可见光范围，且在可见光范围内有较高的波长稳定性。

毛玻璃置于光源前，使扩散光源的光束照射到其表面上形成直径足够大的光斑，而毛玻璃的表面使光斑内光强分布进一步均匀，以在不放置样本时，信号采集模块采集的图像中各像素点强度相差小于10％为标准。毛玻璃表面应与信号采集模块的轴向尽量垂直，其夹角可以在90±1°。

可调起偏器，为圆形偏振片与调整架组合而成的装置，偏振片上的大孔径使毛玻璃上的整个光斑均被过滤。当自然光穿透偏振片时，其正交偏振分量之一的强度与另一分量的强度之比应大于100:1。与调整架组合后，偏振片可做绕圆心自由旋转的运动，可自由脱离光学***。在复位时，其偏振方向及与光路的相对位置不变。在自由旋转过程中，偏振片表面应与信号采集模块中显微镜组的轴向尽量垂直，其夹角可在90±0.5°之间。

信号采集模块中相机可以为宽波长采集范围的EMCCD相机，可对波长在可见光波长范围内的入射光进行采集，其与显微镜组的组合应具有景深范围，景深可大于5mm。

可调检偏器，为圆形偏振片与调整架组合而成的装置，偏振片具有大孔径可完全覆盖相机的视野。当自然光穿透偏振片时，其正交偏振分量之一的强度与另一分量的强度之比应大于100:1。与调整架组合后，偏振片可做绕圆心自由旋转的动作，并可自由脱离光学***。在复位时，其偏振方向及与光路的相对位置不变。在自由旋转过程中，偏振片表面应与信号采集模块中显微镜组的轴向尽量垂直，优选地，其夹角在90±0.5°之间。

在步骤S102，将所述第一样本透射图像数据进行处理得到透射三维数据。

在步骤S103，将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图。

在步骤S104，所述双折射组织区域图对所述偏振条件三维预数据进行反向投影得到偏振条件三维数据。

在步骤S105，将所述透射三维数据、所述双折射组织区域图和所述偏振条件三维数据进行分析。

进一步地，所述光学投影断层成像***包括可调起偏器和可调检偏器，所述通过光学投影断层成像***采集第一图像数据包括：

当所述可调起偏器和所述可调检偏器的偏振方向垂直时，获取样本在所述偏振方向的第一偏振条件图像数据；

当所述可调起偏器和所述可调检偏器的所述偏振方向垂直且旋转第一角度时，获取所述样本在所述偏振方向的第二偏振条件图像数据，所述第二偏振条件图像数据包括第三偏振条件图像数据和第四偏振条件图像数据。

这里，当可调起偏器和可调检偏器的偏振方向垂直时，垂直状态保持在整个采集过程中，具体地，使样本绕样本轴旋转360°，并每间隔1°采集一张图像，共采集360张图像，获取在此偏振方向下的每个样本旋转角度的第一偏振条件图像数据P_1-i(i＝1,2,...,360)。

当所述可调起偏器和所述可调检偏器的所述偏振方向垂直且旋转第一角度时，其中第一角度可以为30°，并且垂直状态保持在整个采集过程中，使样本绕样本轴旋转360°，并每间隔1°采集一张图像，共采集360张图像，得到在此偏振方向下的每个样本旋转角度的第三偏振条件图像数据P_2-i(i＝1,2,...,360)。

当所述可调起偏器和所述可调检偏器的所述偏振方向垂直且旋转第一角度时，并且垂直状态保持在整个采集过程中，使样本绕样本轴旋转360°，并每间隔1°采集一张图像，共采集360张图像，得到在此偏振方向下的每个样本旋转角度的第四偏振条件图像数据P_3-i(i＝1,2,...,360)。

进一步地，所述通过光学投影断层成像***采集第一图像数据还包括：

将所述样本以样本轴为中心每间隔第二角度进行旋转，获取所述第二角度对应的所述第一样本透射图像数据。

将可调起偏器和可调检偏器去除，使样本绕样本轴旋转360°，并每间隔第二角度采集一张图像，第二角度可以为1°，共采集360张图像，得到每个样本旋转角度的第一样本透射图像数据I_T-i(i＝1,2,...,360)。

进一步地，所述将所述第一样本透射图像数据进行处理得到透射三维数据包括：

将所述第一样本透射图像数据组成第一样本透射二维数据集；

将所述第一样本透射二维数据集进行对数运算得到第二样本透射二维数据集；

对所述第二样本透射二维数据集进行滤波反射影三维重建得到所述透射三维数据。

这里，把采集得到的360幅第一样本透射图像数据I_T-i(i＝1,2,...,360)组成为第一样本透射二维数据集I_T。将第一样本透射二维数据集进行对数运算得到第二样本透射二维数据集I_T′，将I_T′进行滤波反投影三维重建得到透射三维数据D_T。

进一步地，所述将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图包括：

从所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件数据和所述第四偏振条件数据中获取多个第一偏振条件组合图像数据；

将所述多个第一偏振条件组合图像数据组合为第二偏振条件二维数据集；

将所述第二偏振条件二维数据集进行所述滤波反投影三维重建得到所述偏振条件三维预数据。

这里，从第一偏振条件图像数据P_1-i、所述第三偏振条件数据P_2-i和第四偏振条件数据P_3-i中获取多个第一偏振条件组合图像数据I_P-i，将多个第一偏振条件组合图像数据I_P-i组合为第二偏振条件二维数据集I_P，将第二偏振条件二维数据集I_P进行所述滤波反投影三维重建得到偏振条件三维预数据D_P ^*。

进一步地，所述从所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件数据和所述第四偏振条件数据中获取多个第一偏振条件组合图像数据包括，重复执行以下处理，直至全部所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件图像数据和所述第四偏振条件图像数据都已被选取：

从所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件图像数据和所述第四偏振条件图像数据中分别选取偏振条件图像数据，获取选取的偏振条件图像数据在相同位置像素点的最大灰度值；

根据所述最大灰度值组合为第一偏振条件组合图像数据。

进一步地，所述将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图还包括：

将所述第一偏振条件组合图像数据进行阈值分割处理得到第二偏振条件组合图像数据；

将所述第二偏振条件组合图像数据进行八邻域膨胀处理得到所述双折射组织区域图。

这里，将第一偏振条件组合图像数据I_P-i进行阈值分割处理得到第二偏振条件组合图像数据，阈值可设定为每幅图中像素点最大强度的二十分之一，将第二偏振条件组合图像数据进行八邻域膨胀处理得到在各个样本旋转角度下双折射组织区域图I_i(i＝1,2,...,360)，并依次用第i(i＝1,2,...,360)个双折射组织区域图I_i按其样本旋转角度i对偏振条件三维预数据D_P ^*进行反向投影得到偏振条件三维数据D_P。

进一步地，所述将所述透射三维数据、双折射组织区域图和所述偏振条件三维数据进行分析包括：

通过体绘制三维可视化方法对所述偏振条件三维数据进行三维数据的可视化，并分析所述双折射组织的***轮廓和纹理特征；

通过体绘制三维可视化方法将所述偏振条件三维数据和所述透射三维数据的绘制结果进行融合，并分析所述双折射组织在所述样本中的分布和与其他组织的位置和形态关系。

这里，体绘制描绘了一种支持三维数据可视化的一种技术，体绘制是三维空间的采样功能，计算彩色半透明物体的二维可视化的技术。

具体地，分析偏振条件三维数据D_P可使用适当的三维可视化方法进行三维数据的可视化。通过使用体绘制方法分析双折射组织的***轮廓和纹理特征。

通过分析透射三维数据D_P与偏振条件三维数据D_T，对它们分别进行适当的体绘制三维可视化，并将体绘制结果进行融合，并分析双折射组织在样本中的分布和与其他组织的位置和形态关系。

通过分析偏振条件采集图像P_i(i＝1,2,...,360)，依次考察第i(i＝1,2,...,360)个样本旋转角度的偏振条件采集图像组P_i，对比其中P_1-i、P_2-i、P_3-i中各像素点的强度，求得该样本旋转角度下样本区域每一像素点拥有最强强度时所在图像的序号，则样本区域中最强强度所在图像序号相同的像素点处的双折射组织中纤维在相机径向平面投影的走向是相同的，由此可大致获得样本内部纤维排列的信息。

图3为本发明实施例提供的通过光学投影断层成像***在偏振条件下采集的图像数据示意图。

参照图3，以健康裸鼠的膈作为样本，当可调起偏器和可调检偏器的偏振方向垂直时，获取样本在偏振方向的第一偏振条件图像数据；当可调起偏器和可调检偏器的所述偏振方向垂直且旋转第一角度时，获取样本在偏振方向的第二偏振条件图像数据，第二偏振条件图像数据包括第三偏振条件图像数据和第四偏振条件图像数据。其中，图3(a)为第一偏振条件图像数据，图3(b)为第三偏振条件图像数据，图3(c)为第四偏振条件图像数据。

图4为本发明实施例提供的在偏振条件下采集的图像数据的偏振条件合成图。

参照图4，从第一偏振条件图像数据、第三偏振条件图像数据和第四偏振条件图像数据中获取多个第一偏振条件组合图像数据；将多个第一偏振条件组合图像数据组合为第二偏振条件二维数据集。

图5为本发明实施例提供的对偏振条件三维数据进行三维数据的可视化的两个结果示意图。

参照图5，以健康大鼠的胃壁切块作为本样，通过体绘制三维可视化方法将得到的偏振条件三维数据进行三维数据的可视化，并分析双折射组织的***轮廓和纹理特征。

图6为本发明实施例提供的将偏振条件三维数据和透射三维数据的绘制结果进行融合的示意图。

参照图6，以健康大鼠的胃壁切块作为本样，通过体绘制三维可视化方法将得到的偏振条件三维数据和透射三维数据进行三维数据的可视化，并将绘制结果进行融合，并分析所述双折射组织在所述样本中的分布和与其他组织的位置和形态关系。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种光学投影断层成像的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

通过光学投影断层成像***采集第一图像数据，所述第一图像数据包括第一偏振条件图像数据、第二偏振条件图像数据和第一样本透射图像数据；

将所述第一样本透射图像数据进行处理得到透射三维数据；

将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图；

所述双折射组织区域图对所述偏振条件三维预数据进行反向投影得到偏振条件三维数据；

将所述透射三维数据、所述双折射组织区域图和所述偏振条件三维数据进行分析；

所述光学投影断层成像***包括可调起偏器和可调检偏器，所述通过光学投影断层成像***采集第一图像数据包括：

当所述可调起偏器和所述可调检偏器的偏振方向垂直时，获取样本在所述偏振方向的第一偏振条件图像数据；

当所述可调起偏器和所述可调检偏器的所述偏振方向垂直且旋转第一角度时，获取所述样本在所述偏振方向的第二偏振条件图像数据，所述第二偏振条件图像数据包括第三偏振条件图像数据和第四偏振条件图像数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过光学投影断层成像***采集第一图像数据还包括：

将所述样本以样本轴为中心每间隔第二角度进行旋转，获取所述第二角度对应的所述第一样本透射图像数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一样本透射图像数据进行处理得到透射三维数据包括：

将所述第一样本透射图像数据组成第一样本透射二维数据集；

将所述第一样本透射二维数据集进行对数运算得到第二样本透射二维数据集；

对所述第二样本透射二维数据集进行滤波反投影三维重建得到所述透射三维数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图包括：

从所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件图像数据和所述第四偏振条件图像数据中获取多个第一偏振条件组合图像数据；

将所述多个第一偏振条件组合图像数据组合为第二偏振条件二维数据集；

将所述第二偏振条件二维数据集进行滤波反投影三维重建得到所述偏振条件三维预数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述从所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件图像数据和所述第四偏振条件图像数据中获取多个第一偏振条件组合图像数据包括，重复执行以下处理，直至全部所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件图像数据和所述第四偏振条件图像数据都已被选取：

从所述第一偏振条件图像数据、所述第三偏振条件图像数据和所述第四偏振条件图像数据中分别选取偏振条件图像数据，获取选取的偏振条件图像数据在相同位置像素点的最大灰度值；

根据所述最大灰度值组合为第一偏振条件组合图像数据。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述第一偏振条件图像数据和第二偏振条件图像数据进行处理得到偏振条件三维预数据和双折射组织区域图还包括：

将所述第一偏振条件组合图像数据进行阈值分割处理得到第二偏振条件组合图像数据；

将所述第二偏振条件组合图像数据进行八邻域膨胀处理得到所述双折射组织区域图。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述透射三维数据、双折射组织区域图和所述偏振条件三维数据进行分析包括：

通过体绘制三维可视化方法对所述偏振条件三维数据进行三维数据的可视化，并分析所述双折射组织的***轮廓和纹理特征；

通过体绘制三维可视化方法将所述偏振条件三维数据和所述透射三维数据的绘制结果进行融合，并分析所述双折射组织在所述样本中的分布和与其他组织的位置和形态关系。