CN109115738B - 基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，包括下列步骤：同时向样本上的待测位置照射光束组，所述光束组具有n层，其中n≥1；依靠接收器同时获取自所述待测位置激发产生的n层荧光信号；对样本上除所述待测位置之外的位置重复上述步骤，直至遍历完成样本的成像过程；将获取的n层荧光信号按遍历的顺序进行重建，获得所述样本的多层三维图像数据。本发明提供的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法通过向样本照射具有多层光束的光束组并形成信号，能够使***的成像效率提高多倍，极大提高了针对较大体积的三维生物样本的成像速度。

Description

基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法

技术领域

本发明涉及显微三维成像技术领域，特别是涉及一种基于轴向多层并行成 像的三维快速成像方法。

背景技术

在显微成像领域，通常显微成像***获取到的都是单层生物样本图像数据， 为获得生物样本的三维显微图像数据，则需要顺序依次获得连续位置的图像信 号，将不同位置的图像信号进行三维重建，从而实现对生物样本的三维建模。 但是该方法受限于探测器的帧频，而无法获得较高的成像速度，因而应用到较 大体积的生物样本上时，三维建模时间会被过度拉长，严重限制了测试效率。

发明内容

基于此，有必要针对上述提到的至少一个问题，提供一种基于轴向多层并 行成像的三维快速成像方法。

一种基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，包括下列步骤：

S1：同时向样本上的待测位置照射具有轴向位移差的光束组，所述光束组 具有n层，其中n≥1；

S2：具有轴向位移差的光束组激发样本产生具有相同轴向位移差的n层荧 光信号，补偿n层荧光信号的轴向位移差，使n层荧光信号同时清晰成像在同 一探测面上，并记录探测到的图像数据；

S3：移动样本，对样本上除所述待测位置之外的位置重复步骤S1和步骤 S2，直至遍历完成样本；

S4：将获取的图像数据按遍历顺序进行重建，获得所述样本的多层三维图 像。

本发明提供的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法通过向样本照射 具有多层光束的光束组并形成信号，能够使***的成像效率提高多倍，极大提 高了针对较大体积的三维生物样本的成像速度。

附图说明

图1为本发明一实施例中基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法的流 程图；

图2为本发明一实施例中三维快速成像的原理示意图；

图3为本发明另一实施例中的三维快速成像的原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实 现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本 发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元 件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可 以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施例中提供了一种基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法， 如图1所示，包括下列步骤：

S1：同时向样本上的待测位置照射具有轴向位移差的光束组，所述光束组 具有n层，其中n≥1。光束根据生物样本的类型以及扫描精度需求可选择不同 的形式，例如横截面为带状的条带式光束或横截面为圆斑的光斑式光束。光束 组中的光并不一定是以可见光的形式存在，并且每层光束具有各自的焦点，每 层光束的焦点之间也具有一定的间距，光束组因这些间距而分为若干层。优选 的，光束组中的每层光束为预定的矩形光带，进一步优选的，所述光束组中的 每层光束间隔预定间距，每层光束的横截面形状相同，将光束组中的每层光束 间隔预定间距能够确保反射得到的n层荧光信号同时投影在同一探测平面上时 无信号重叠，从而避免成像信息串扰。当光束组中的每层光束为预定直径的光 斑时，光斑与光斑之间也要间隔预定的距离，同样确保无信号重叠，避免成像 信息串扰。光束组的轴向位移差与检测样本时需要得到的图像的成像间隔相等， 即与样本的三维快速成像的轴向成像间隔，而样本的三维快速成像的轴向成像 间隔在为样本检测时的初始参数，在进行检测前已然确定，通过样本自身特点 确定样本的三维快速成像的轴向成像间隔，从而调整成像设备中产生的光束组 的轴向位移差。对于样本的三维快速成像的轴向成像间隔，以及光束组的轴向 位移差，二者数值相等，其数值范围优选为1～100微米。

S2：具有轴向位移差的光束组激发样本产生具有轴向位移偏差的n层荧光 信号，补偿n层荧光信号的轴向位移差，使n层荧光信号同时清晰成像在探测 器的同一探测面上，并记录探测图像。由于光束组中每层光束均有其对应的焦 点，因而照射到生物样本上会由不同深度的位置反射回来相对应的信号。不同 层光束的激发深度不同，产生的激发光束的轴向深度自然也不同，同一深度的 信号为同一层，因此也存在多层信号的轴向位移差。对反射回来的n层荧光信 号进行接收，接收到之后首先对其进行轴向位移偏差值的补偿，以便于将得到 的n层荧光信号能够在同一探测面上清晰成像，依靠摄像技术记录探测到的图像数据。

作为一个优选的方案，其中补偿n层荧光信号的轴向位移偏差值的方法具 体包括：

S21：将n层荧光信号经过远程聚焦成像在远程位置。通过本领域常用的远 程聚焦***将接收到的n层荧光信号进行聚焦并成像在特定位置。

S22：远程位置处放置平面反射镜，分别在远程位置测量并记录远程聚焦后 的n层荧光信号的轴向间隔及横向间隔。

S23：根据步骤S22的测量结果设计并制作梯度多面反射镜，并将制作完成 的梯度多面反射镜替换步骤S22中的平面反射镜，使得梯度多面反射镜的反射 面垂直于n层荧光信号的轴向。

S24：横向移动梯度多面反射镜，记录探测器探测的图像。

S25：重复步骤S24，直至n层荧光信号处于对应反射镜面的中心位置。

S26：轴向移动梯度多面反射镜，并记录此时探测器探测的图像。

S27：重复步骤S26，直至梯度多面反射镜位于n层荧光信号轴向位移差的 最佳补偿位置，该最佳补偿位置处得到的图像中n层荧光信号的半高全宽均为 最小，此时n层荧光信号在探测器的同一探测面上清晰成像。

优选的，梯度多面反射镜的光学物理参数与n层荧光信号具有下列匹配关 系：

a)相邻反射平面的轴向位置间隔是多层信号中对应相邻信号的轴向位移间 距的一半；

b)反射平面间的中心横向位置间隔和对应相邻荧光信号的横向距离相等。

S3：移动样本，对样本上除待测位置之外的位置重复步骤S1和步骤S2， 直至遍历完整个样本。针对某一位置进行照射并获取反射回来的信号之后，为 获取完整生物样本的成像数据，必须对样本中未进行照射的其他位置进行重复 操作，获取到所有位置的反射信号。同时，在遍历照射时，需要记录遍历顺序， 以便于后期还原。移动样本的工作由能够承载样本的三维平移台进行，该三维 平移台能够在三维空间内平移，即能够根据样本成像的需求，实现在原轴向位 置处横向平移或者沿轴向平移。

S4：将获取的图像数据按遍历顺序进行重建，获得样本的多层三维图像。 遍历顺序可采用直线型，即从上往下或自左而右的间隔相邻式，也可采用蛇形 扫描模式，通常在使用光斑扫描时采用此种遍历顺序。优选的，探测器选用面 阵探测器，该面阵探测器可根据梯度反射面的不同轴向位置及横向位置反射的 不同层信号，对探测到的图像信号进行分区，移动样本探测时，每一次获取的n 层荧光信号分别显示在对应的分区。该面阵探测器还可根据样本的不同测量位 置和顺序对探测到的图像信号进行编号储存，该面阵探测器与承载样本的三维 平移台相关联，当三维平移台移动到新位置时，面阵探测器将原位置处的图像 信号编号并储存，再接收新位置处的图像信号并对其进行编号储存。最终可按 照编号顺序获取到完整样本的多层三维图像数据。

作为一个优选的方案，调整提供光束组的光源与样本最外侧表面的间距在 遍历时保持恒定。生物样本的并不一定是平整的，尤其在体积较大时，生物样 本的表面存在高低起伏，为确保所获取到的信号真实反映生物样本的三维形状， 需保证反射得到的信号层深与生物样本外形一致，否则当光束组的分层恒定而 且照射距离一致时，无法保证照射到的层深相同。因而，首先确保光源与样本 最外侧表面的间距保持恒定，而光源发出的光束组之间具有恒定间距，能够确 保在遍历时扫描照射到的是生物样本的同一层深处的组织结构。

为便于理解本发明所提供的扫描限位成像方法及***，现列举实例以说明：

如图2所示，1为生物样本，列举其中三层，三层的样貌分别为A、B、C， 其中11、12和13为分别照射样本的三层条带式光束，2为探测器的探测面。光 束11、12和13照射生物样本1后经显微成像***同时清晰成像在探测面2上， 分别对应获得信号11′、12′和13′。探测到的信号11′、12′和13′在探 测面上存在一定的空间间隔，如图中的Δx₁和Δx₂，因此可以根据成像关系，分 别提取不同层信号，也即在探测面2上得知11′、12′和13′分别对应A、B 和C的样貌，即11′反映A的一部分，以此类推。样本相对于探测器匀速运动， 探测器在不同位置可同时获得不同横截面位置的信号。将遍历完全部位置获取 到的信号按照对应层的扫描关系进行拼接，可以重建获得21、22和23，即得到 反映A、B和C的图像。

另一种情况则是，如图3所示，31、32和33为分别对应样本的三层光斑型 光束。光束31、32和33照射生物样本1后经显微成像***同时清晰成像在探 测面2上，分别对应获得信号31′、32′和33′。探测到的信号31′、32′和 33′在探测面上存在三维空间间隔，如图中的Δx₁和Δx₂，因此可以根据成像关 系，分别在探测器的不同位置分别提取不同层信号。光束相对于样本进行蛇形 扫描，如图中的箭头线方向，遍历样本的全部位置，探测器在相同位置可同时 获得不同横截面位置的信号。将遍历完全部位置获得的信号按照对应层的扫描关系进行拼接，可以重建获得图3中的41、42和43，即扫描得到A、B和C。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1：同时向样本上的待测位置照射具有轴向位移差的光束组，所述光束组具有n层，其中n≥1；

S2：具有轴向位移差的光束组激发样本产生具有相同轴向位移差的n层荧光信号，补偿n层荧光信号的轴向位移差，使n层荧光信号同时清晰成像在同一探测面上，并记录探测到的图像；

S3：移动样本，对样本上除所述待测位置之外的位置重复步骤S1和步骤S2，直至遍历完整个样本；

S4：将获取的图像按遍历顺序进行重建，获得所述样本的多层三维图像；

其中，S2中所述的补偿n层荧光信号的轴向位移差的方法包括：

S21：将所述n层荧光信号经过远程聚焦成像在远程位置；

S22：远程位置处放置平面反射镜，分别在远程位置测量并记录远程聚焦后的n层荧光信号的轴向间隔及横向间隔；

S23：根据步骤S22的测量结果设计并制作梯度多面反射镜，并将制作完成的梯度多面反射镜替换步骤S22中的平面反射镜，使得梯度多面反射镜的反射面垂直于所述n层荧光信号的轴向；

S24：横向移动梯度多面反射镜，记录探测器探测的图像；

S25：重复步骤S24，直至n层荧光信号处于对应反射镜面的中心位置；

S26：轴向移动梯度多面反射镜，并记录此时探测器探测的图像；

S27：重复步骤S26，直至梯度多面反射镜位于n层荧光信号轴向位移差的最佳补偿位置，所述最佳补偿位置处得到的图像中n层荧光信号的半高全宽均为最小，此时n层荧光信号在同一探测面上清晰成像。

2.根据权利要求1所述的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，根据样本的三维快速成像的轴向成像间隔大小调整所述光束组的轴向位移差值，使所述光束组的轴向位移差值与所述样本的三维快速成像的轴向成像间隔大小一致。

3.根据权利要求1所述的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，所述光束组中每层光束为预设的矩形光带。

4.根据权利要求1所述的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，所述光束组中的每层光束具有预设间距的横向间隔，且该间距至少大于所述光束组中的任一束子光束的半高全宽。

5.根据权利要求1所述的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，梯度多面反射镜的光学物理参数与n层荧光信号的三维参数相匹配：

相邻反射平面的轴向位置间隔是n层荧光信号中对应相邻信号的轴向位移间距的一半；

反射平面间的中心横向位置间隔与对应相邻荧光信号的横向距离相等。

6.根据权利要求1所述的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，所述移动样本采用承载样本的三维平移台进行，所述三维平移台可在三维空间内平移。

7.根据权利要求1所述的基于轴向多层并行成像的三维快速成像方法，其特征在于，所述探测器为面阵探测器，可记录具有横向间隔的多个信号形成的面状图像数据，同时可在样本的不同遍历成像时刻对获取的图像数据进行编号和储存。

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