CN102833462A

CN102833462A - 一种共聚焦点扫描成像的信号预处理方法

Info

Publication number: CN102833462A
Application number: CN2012102557472A
Authority: CN
Inventors: 薛晓君; 张运海; 黄维; 唐志豪
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102833462B

Abstract

本发明公开了一种共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，用于处理激光扫描共聚焦显微镜对样本扫描得到的模拟信号，包括：将模拟信号记录为由样本图像各行首尾相接构成的原始一维信号；使用模拟低通滤波器对原始一维信号进行滤波得到第一滤波信号；对第一滤波信号进行数据采集得到第一数字信号；使用数字低通滤波器对第一数字信号进行滤波得到第二滤波信号；根据第二滤波信号重建所述样本的二维图像。根据本发明提出方法，可直接对扫描得到的一维信号处理，有效地滤除光学系统中存在杂散光及电路系统中的噪声，最终获得清晰平滑的样本二维图像。同时，一维信号滤波的速度非常快，基本不影响整个系统的响应时间，满足对二维图像进行实时显示的需要。

Description

一种共聚焦点扫描成像的信号预处理方法

技术领域

本发明涉及激光扫描共聚焦显微镜领域，尤其涉及一种共聚焦点扫描成像的信号预处理方法。

背景技术

光学显微镜是历代生物学家观察研究对象的主要工具之一。激光扫描共聚焦显微镜是在荧光显微镜基础上发展起来的一种高分辨率，非接触式，能够三维成像的光学显微镜，它的光学分辨率突破了传统的衍射极限，使光学显微技术进入了一个新的发展阶段。

激光扫描共聚焦显微镜采用共轭焦点技术，使光源针孔、样本及探测器针孔处于彼此对应的共轭位置，并使用激光作为光源，激光束通过物镜聚焦于样本上，在扫描装置的驱动下，实现对样本的点扫描，最后计算机对扫描后的一维信号进行排列重组得到重建后的样本二维图像。由于光学系统中存在杂散光的干扰，电路系统中存在噪声，最终重建得到的样本二维图像中会含有大量噪声，这些噪声的存在掩盖了真实的图像信息，影响了后续的图像处理和分析的结果，因此需要对扫描得到的一维原始信号进行预处理，才能在样本二维图像重建过程中获得质量较高的样本图像。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，用于处理激光扫描共聚焦显微镜对样本扫描得到的模拟信号，包括：

将所述模拟信号记录为由样本图像各行首尾相接构成的原始一维信号；

使用模拟低通滤波器对所述原始一维信号进行滤波得到第一滤波信号；

对所述第一滤波信号进行数据采集得到第一数字信号；

使用数字低通滤波器对所述第一数字信号进行滤波得到第二滤波信号；

根据所述第二滤波信号重建所述样本的二维图像。

优选地，所述模拟低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器，用于滤除所述原始一维信号中的高频噪声。

优选地，所述第一滤波信号由若干个不同频率的分量信号构成，其中，频率最高的分量信号的频率值为f_max。

优选地，对所述第一滤波信号进行数据采集得到第一数字信号包括：

对所述第一滤波信号使用采样频率f_s进行采样，得到采样信号，其中，f_s≥2f_max；

对所述采样信号进行模数转换，得到所述第一数字信号。

优选地，所述数字低通滤波器为有限脉冲响应(FIR)滤波器，用于滤除模拟低通滤波以及数据采集过程中引入的外界噪声，所述数字低通滤波器的截止频率为f_max的20％至30％。

优选地，所述第二滤波信号为一维数字电压信号，根据所述第二滤波信号重建所述样本的二维图像包括：

将所述第二滤波信号对应的电压值映射到图像灰度空间中，得到第二数字信号；

将所述第二数字信号进行排列得到所述样本的二维图像。

根据本发明实施方案中的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，可以直接对扫描得到的一维信号进行处理，有效地滤除光学系统中存在杂散光以及电路系统中的噪声，最终获得清晰平滑的样本二维图像。同时，一维信号滤波的速度非常快，基本不影响整个系统的响应时间，满足对二维图像进行实时显示的需要。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明一实施方案的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法流程图；

图2是本发明一实施方案的一阶巴特沃斯低通滤波器的实施电路图；

图3是本发明一实施方案的二阶巴特沃斯低通滤波器的实施电路图；

图4是本发明一实施方案的对第一滤波信号进行数据采集得到第一数字信号的流程图；

图5是本发明一实施方案的根据第二滤波信号重建样本二维图像的流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明一实施方案的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法流程图。

在本实施方案中，执行步骤S101之前，激光扫描共聚焦显微镜首先对样本进行点扫描，所述点扫描过程是对样本逐点逐行地扫描，对前一行扫描完成后，从下一行的起始位置继续进行扫描，直至扫描完整个样本。扫描完成后，执行步骤S101，按照图像各行首尾相接的形式，将扫描得到的信号记录为原始一维信号。所述原始一维信号为模拟信号，横坐标为扫描时刻，纵坐标为相应扫描时刻的样本扫描点的电压值。在一优选实施例中，所述样本图像有M行，所述原始一维信号用函数A(t)表示，扫描时刻t单位为秒，其中，当扫描时刻t处于范围0≤t≤t₁，A(t)为样本图像第一行扫描点的电压值，当扫描时刻t处于范围t₁＜t≤t₂，A(t)为样本图像第二行扫描点的电压值，依此类推，当扫描时刻t处于范围t_M-1＜t≤t_M，A(t)为样本图像第M行扫描点的电压值。所述扫描时刻对应于扫描时样本图像的一个特定位置，所述特定位置决定了对应信号值在图像重建时的位置坐标。

在步骤S102中，对所述原始一维信号A(t)进行滤波得到第一滤波信号B(t)。具体地，所述原始一维信号A(t)由若干分量信号构成，所述若干分量信号的频率值分别为f₁、f₂、f₃、...，其中，频率值高于某一阈值f_T的分量信号可以视为所述原始一维信号A(t)中存在的高频噪声，这些高频噪声是在激光扫描共聚焦显微镜对样本扫描过程中由显微镜的光学系统引入的，并且是不可避免的。在本实施方案中，选取f_T值为1MHz。在本实施例中，所述滤波过程采用了巴特沃斯低通滤波器，截止频率f_c为1MHz，其作用为用于滤除频率值高于1MHz的高频噪声，同时频率低于1MHz的分量信号幅值保持不变。具体地，任何高阶的巴特沃斯低通滤波器都可以分解为一阶和二阶巴特沃斯低通滤波器的乘积。其中，一阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为：

H(s)＝KCω_c/(s+Cω_c)，

其具体实施电路如图2所示，R₁＝1/(CC₁ω_c)，R₂＝KR₁/(K-1)，R₃＝KR₁。K为通带放大倍数，在本实施例中取1，不进行放大；C为阻尼系统，对于巴特沃斯低通滤波器，取1.414；C₁取10/f_T，单位为μF；ω_c是截止频率，为6.28×10⁶rad/s；IN端为待滤波信号的输入端，OUT端为滤波后信号的输出端。二阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为：

H(s)＝Ks²/[s²+(Bω_c/C)s+ω² _c/C]，

其具体实施电路如图3所示，C₁取10/f_T，单位为μF；C₂＝C₁/K，R₁＝1/(2C₁+C₂)ω_c，R₂＝C(2C₁+C₂)/C₁C₂ω_c；ω_c是截止频率，为6.28×10⁶rad/s；IN端为待滤波信号的输入端，OUT端为滤波后信号的输出端。在本实施例中选用二阶巴特沃斯低通滤波器对所述原始一维信号A(t)进行滤波。本领域的技术人员应能理解，随着阶数的增加，巴特沃斯低通滤波器频率响应曲线的通带边缘更加陡峭，意味着低于截止频率的低频信号经滤波器滤波后保留得更加完整，同时高于截止频率的高频信号经滤波器滤波后被滤除得更加彻底，然而滤波电路随着阶数的增加需要更多的元器件，电路组成更加复杂。因此，在本实施方案中，可以根据上述原理并结合实际情况，选用相应阶数的巴特沃斯低通滤波器对原始一维信号A(t)进行滤波。任何高阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数都可以由若干一阶和二阶巴特沃斯低通滤波器传递函数的相乘得到。使用所述二阶巴特沃斯低通滤波器对所述原始一维信号A(t)进行滤波后，所述原始一维信号A(t)中频率高于1MHz的分量信号都被滤除，频率低于1MHz的分量信号都被保留，滤波后得到的所述第一滤波信号B(t)中频率最高的分量信号的频率值f_max即等于截止频率1MHz。

在步骤S103中，对所述第一滤波信号B(t)进行数据采集得到第一数字信号C(k)。如图4所示，所述数据采集过程可以具体分解为：1)步骤S201，对所述第一滤波信号B(t)使用采样频率f_s进行采样，其中f_s≥2f_max，得到采样后的信号B’(k)，其中k＝0，1，...，t_Mf_s，0≤k≤t₁f_s时，B’(k)对应样本图像中第一行的扫描点，t₁f_s＜k≤t₂f_s时，B’(k)对应样本图像中第二行的扫描点，依此类推，t_M-1f_s＜k≤t_Mf_s时，B’(k)对应样本图像中第M行的扫描点。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于等于信号最高频率的两倍，而在本实施例中所述第一滤波信号B(t)中频率最高的分量信号的频率值f_max为1MHz，使用5MHz的采样频率对获取到的所述第一滤波信号B(t)进行采样，采样后的信号B’(k)能被完全恢复而不发生畸变。2)步骤S202，对所述采样信号进行模数转换，得到所述第一数字信号C(k)，其中k＝0，1，...，t_Mf_s。

在步骤S104中，对所述第一数字信号C(k)滤波得到第二滤波信号D(k)，其中k＝0，1，...，t_Mf_s，0≤k≤t₁f_s时，D(k)对应样本图像中第一行的扫描点，t₁f_s＜k≤t₂f_s时，D(k)对应样本图像中第二行的扫描点，依此类推，t_M-1f_s＜k≤t_Mf_s时，D(k)对应样本图像中第M行的扫描点。由于所述原始一维信号A(t)在经过所述模拟低通滤波器时被噪声污染，且在所述数据采集过程中会引入量化噪声，因此需要对所述第一数字信号C(k)进行数字滤波。在本发明一优选实施例中采用有限脉冲响应(FIR)滤波器对所述第一数字信号C(k)进行数字滤波，截止频率为采样频率f_s的20％至30％。所述数字滤波器可以通过数字运算器件来实现，也可以通过Matlab、LabVIEW等仿真软件来实现，在本实施例中，采用仿真软件LabVIEW来实现所述FIR滤波器，截止频率为f_max的25％，即为250KHz。

在步骤S105中，根据所述第二滤波信号D(k)重建所述样本的二维图像。如图5所示，所述重建过程可具体分解为：1)步骤S301，采用公式：

E(k)＝(2ⁿ-1)D(k)/(V_max-V_min)，

将所述第二滤波信号D(k)对应的电压值线性映射到图像灰度空间中，得到第二数字信号E(k)，其中E(k)表示在每个采样点k处映射后的灰度值，n表示图像的位深，在本实施例中取8，V_max表示D(k)中的最大值，V_min表示D(k)中的最小值，k＝0，1，...，t_Mf_s，0≤k≤t₁f_s时，E(k)对应样本图像中第一行的扫描点的灰度值，t₁f_s＜k≤t₂f_s时，E(k)对应样本图像中第二行的扫描点的灰度值，依此类推，t_M-1f_s＜k≤t_Mf_s时，E(k)对应样本图像中第M行的扫描点的灰度值。2)步骤S302，将所述第二数字信号E(k)进行排列得到所述样本的二维图像。具体地，k＝0，1，...，t_Mf_s，0≤k≤t₁f_s时，E(k)对应样本图像中第一行的扫描点的灰度值，t₁f_s＜k≤t₂f_s时，E(k)对应样本图像中第二行的扫描点的灰度值，依此类推，t_M-1f_s＜k≤t_Mf_s时，E(k)对应样本图像中第M行的扫描点的灰度值，将上述各行扫描点的灰度值信号分别取出，再在二维空间上将所述各行图像信号依次进行纵向排列最终得到所述样本的二维图像。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims

1.一种共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，用于处理激光扫描共聚焦显微镜对样本扫描得到的模拟信号，其特征在于，包括：

对所述第一滤波信号进行数据采集得到第一数字信号；

根据所述第二滤波信号重建所述样本的二维图像。

2.根据权利要求1所述的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，其特征在于，所述模拟低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器，用于滤除所述原始一维信号中的高频噪声。

3.根据权利要求1所述的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，其特征在于，所述第一滤波信号由若干个不同频率的分量信号构成，其中，频率最高的分量信号的频率值为f_max。

4.根据权利要求3所述的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，其特征在于，对所述第一滤波信号进行数据采集得到第一数字信号包括：

对所述采样信号进行模数转换，得到所述第一数字信号。

5.根据权利要求4所述的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，其特征在于，所述数字低通滤波器为有限脉冲响应(FIR)滤波器，用于滤除高频噪声，所述数字低通滤波器的截止频率为f_max的20％至30％。

6.根据权利要求1所述的共聚焦点扫描成像的信号预处理方法，其特征在于，所述第二滤波信号为一维数字电压信号，根据所述第二滤波信号重建所述样本的二维图像包括：

将所述第二数字信号进行排列得到所述样本的二维图像。