CN108227233A - 基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法及***，其中，方法包括：对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本；将光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像；根据多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。该方法可以有效提高成像分辨率，消除背景噪声。

Description

基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法及***
技术领域
本发明涉及物理光学、计算摄像学、生命科学技术领域，特别涉及一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法及***。
背景技术
光学显微镜是一种光学仪器，主要用于放大微小物体(纳米-微米级别)，从而使人们能够观测到用肉眼无法看到的微观结构(如细胞、病毒等)。目前，光学显微镜已经成为生命科学领域不可或缺的仪器设备。光学显微镜包括多种类型，用于各类不同的研究目的，常见的有普通光学显微镜与荧光显微镜。其中，荧光显微镜利用免疫荧光技术，使用荧光素标记技术来标定目标。当一定波长的入射光照射在样本上时，这些荧光素会由于原子的能级跃迁从而发出荧光，从而使得肉眼不可见的样本变为可见。借助于化学材料领域的高速发展，现在几乎所有的可见光谱段都有对应的各种荧光标记物可供选择。因此，荧光显微镜已经成为生物学家重要的成像工具，实现了在生命科学领域的广泛应用。
光片显微技术是一种三维层析荧光显微成像方法。技术上，光片显微技术通过对光照端的入射光进行空间调制，实现一薄层光片从侧面照明样品，因此仅激发样品深度的一个薄层。该薄层受激发后发射的荧光沿着垂直于照明平面的光轴在样品的上方或下方采集。通过这样的照明方法，照明平面的上部和下部的荧光分子都不会被激发产生荧光。最后通过扫描不同深度的图像，实现显微三维深度层析成像。该技术采用宽场照明，因此具有较高的成像时间分辨率；采用光片照明，具有较高的深度分辨率，同时对生物样本具有极小的光损伤和光漂白。因此光片显微被广泛应用于生命科学领域观测三维样本，实现显微层析成像。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，可以有效提高层析成像分辨率，消除背景噪声。
本发明的另一个目的在于提出一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，包括以下步骤：对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本；将所述光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像；根据所述多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。
本发明实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，通过将光片显微层析成像技术与结构光超分辨率技术相结合，利用光片显微技术在光照端对介质散射的鲁棒性，结合结构光超分辨率技术，提高传统显微三维层析成像的分辨率，有效提高图像分辨率，实现超分辨率显微层析成像。
另外，根据本发明上述实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对光照端的入射光进行空间调制，进一步包括：利用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制方法，将所述入射光调制成所述光片，以从侧面照明所述样本的某一深度层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制或者旋转样本，将所述光片调成成不同图案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过频域拼接算法、交替投影算法等重构所述样本图像。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，包括：第一调制模块，用于对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本；第二调制模块，用于将所述光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像；获取模块，用于根据所述多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。
本发明实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，通过将光片显微层析成像技术与结构光超分辨率技术相结合，利用光片显微技术在光照端对介质散射的鲁棒性，结合结构光超分辨率技术，提高传统显微三维层析成像的分辨率，有效提高图像分辨率，实现超分辨率显微层析成像。
另外，根据本发明上述实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一调制模块，进一步包括：
调制单元，用于利用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制方法将所述入射光调制成所述光片，以从侧面照明所述样本的某一深度层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制或者旋转样本，将所述光片调成成不同图案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过频域拼接算法、交替投影算法等重构所述样本图像。
本发明附加的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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***的结构示意图。
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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法及***，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法。
图1是本发明实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法的流程图。
如图1所示，该基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法包括以下步骤：
在步骤S101中，对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述对光照端的入射光进行空间调制，进一步包括：利用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制方法将所述入射光调制成所述光片，以从侧面照明所述样本的某一深度层。
可以理解的是，结合图1和图2所示，本发明实施例可以通过使用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制等方法，以从侧面照明所述样本的某一深度层，其中，将入射光调制成光片不限于上述方法，包括柱透镜直接调制、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制等方法，具体的由本领域技术人员根据实际情况进行调制，在此不做具体限定。
在步骤S102中，将所述光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制或者旋转样本，将所述光片调成成不同图案。
可以理解的是，本发明实施例可以通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制或者旋转样本，将所述光片调成成不同图案不限于上述方法，包括改变扫描函数、使用DMD调制、使用声光可调谐滤波器调制、旋转样本等方法，具体的由本领域技术人员根据实际情况进行调制，在此不做具体限定。
在步骤S103中，根据所述多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过频域拼接算法、交替投影算法等重构所述样本图像。
根据本发明实施例提出的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，通过将光片显微层析成像技术与结构光超分辨率技术相结合，利用光片显微技术在光照端对介质散射的鲁棒性，结合结构光超分辨率技术，提高传统显微三维层析成像的分辨率，有效提高图像分辨率，实现超分辨率显微层析成像。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***。
图3是本发明实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***的结构示意图
如图3所示，该基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***10包括：
其中，第一调制模块100用于对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本。第二调制模块200用于将所述光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像。获取模块300用于根据所述多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。本发明实施例的***10可以有效提高层析成像分辨率，消除背景噪声，具有较强的鲁棒性。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一调制模块，进一步包括：调制单元，用于利用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制将所述入射光调制成所述光片，以从侧面照明所述样本的某一深度层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制、旋转样本等方法将所述光片调成成不同图案。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过频域拼接算法、交替投影算法重构所述样本图像。
需要说明的是，前述对基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，通过将光片显微层析成像技术与结构光超分辨率技术相结合，利用光片显微技术在光照端对介质散射的鲁棒性，结合结构光超分辨率技术，提高传统显微三维层析成像的分辨率，有效提高图像分辨率，实现超分辨率显微层析成像。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本；
将所述光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像；以及
根据所述多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。
2.根据权利要求1所述的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，其特征在于，所述对光照端的入射光进行空间调制，进一步包括：
利用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制方法将所述入射光调制成所述光片，以从侧面照明所述样本的某一深度层。
3.根据权利要求2所述的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，其特征在于，
通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制、旋转样本等方法，将所述光片调成成不同图案。
4.根据权利要求1所述的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像方法，其特征在于，通过频域拼接算法、交替投影算法等重构所述样本图像。
5.一种基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，其特征在于，包括：
第一调制模块，用于对光照端的入射光进行空间调制，以生成光片从侧面照明样本；
第二调制模块，用于将所述光照端的光片调制成多个不同频率且不同方向的样式图案，并相应地在探测端拍摄多张图像；以及
获取模块，用于根据所述多张图像通过结构光超分辨率方法提高图像分辨率，以得到超分辨率显微层析成像图像。
6.根据权利要求5所述的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，其特征在于，所述第一调制模块，进一步包括：
调制单元，用于利用柱透镜、贝塞尔(Bessel)光线调制或者栅格(lattice)光线调制方法将所述入射光调制成所述光片，以从侧面照明所述样本的某一深度层。
7.根据权利要求6所述的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像***，其特征在于，
通过改变扫描函数、DMD调制、声光可调谐滤波器调制或者旋转样本，将所述光片调成成不同图案。
8.根据权利要求5所述的基于光片结构光的显微层析超分辨率成像装置，其特征在于，通过频域拼接算法、交替投影算法等重构所述样本图像。
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