CN104713864B - 基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法，包括：对仿体进行数据采集得到二维投影数据，并且将所述二维投影数据进行三维重建得到三维重建数据，所述三维重建数据包括样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息；根据所述样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取所述样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角；通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正。本发明可以提高光学投影断层成像系统的空间分辨率，减少图像的伪影。

Description

基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法

技术领域

本发明涉及影像处理技术，特别是涉及一种基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法。

背景技术

光学投影断层成像(Optical Projection Tomography,OPT)可以实现1-10毫米尺度生物样本的结构和分子特异性成像，具有分辨率高、结构功能一体化、无辐射、成本低等诸多优点，它可以在小尺度对活体生物进行细胞水平的定性和定量研究，实现生物体的实时、无创、动态、在体成像。当前，OPT技术已被应用于小鼠等小动物胚胎、完整器官的成像以及果蝇等模式动物的成像。对小鼠、果蝇这些模式动物的成像对于研究基因表达、蛋白质相互作用、临床前药物研发等都具有重要的意义。OPT成像技术的出现为小动物胚胎成像、组织器官成像、果蝇等小的模式动物成像提供了有力的研究手段，推动了生物科学基础研究的发展。OPT成像过程中样本比较薄且相对透明，可见光穿过样本时散射效应可以忽略不计，样本对光子主要表现为吸收作用，因此可认为光线沿直线传播穿过样本。

激发式光学投影断层成像是OPT的一种常见系统形式，系统工作时，外部激发光照射到样本上，激发样本上的荧光染料或荧光蛋白发射出波长更长的荧光信号，电荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)相机进行数据采集时通过窄带滤波片滤去激发光，仅采集荧光信号，并对其进行三维重建，得到荧光染料或荧光蛋白在样本上的分布信息，从而可以进行分子特异性成像。

在成像过程中，光学投影断层成像系统扫描采集到的数据是一系列不同角度下光线穿过样本的二维投影图像，将所有二维投影图像运用滤波反投影(Filtered Back-Projection,FBP)方法进行重建，即可得到三维重建图像。二维投影图的清晰与否，直接关系到三维重建体分辨率的高低。但是如果在成像过程中，样本的旋转轴与采集图像的中心线有偏差(即转台的旋转轴与相机中心线的偏差)，并且在重建前没有校正该偏差，即使偏差仅有几个像素，也会造成重建的图像出现伪影。

发明内容

本发明提供的基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法，可以提高光学投影断层成像系统的空间分辨率，减少图像的伪影。

根据本发明的一方面，提供一种基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法，包括：

对仿体进行数据采集得到二维投影数据，并且将所述二维投影数据进行三维重建得到三维重建数据，所述三维重建数据包括样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息；根据所述样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取所述样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角；通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正。

本发明实施例提供的基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法，根据样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角，以及根据所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正，从而提高光学投影断层成像系统的空间分辨率，减少图像的伪影。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法流程图；

图2为本发明实施例提供的旋转轴水平偏移量示意图；

图3为本发明实施例提供的旋转角示意图；

图4为本发明实施例提供的光学投影断层成像系统的景深信息估计示意图；

图5为本发明实施例提供的光学投影断层成像系统示意图。

具体实施方式

本发明的总体构思是，根据样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角，以及根据所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正，从而提高光学投影断层成像系统的空间分辨率，减少图像的伪影。

下面结合附图对本发明实施例提供的基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法流程图。

参照图1，在步骤S101，对仿体进行数据采集得到二维投影数据，并且将所述二维投影数据进行三维重建得到三维重建数据，所述三维重建数据包括样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息。

这里，采用包含荧光微珠的圆柱形仿体进行数据采集，具体通过激光器照射仿体，使旋转台360度旋转仿体，并经显微装置使CCD相机采集到仿体的二维投影图。

其中，荧光微珠的直径远小于光学投影断层成像系统所能达到的空间分辨率，且激发光谱和发射光谱分离，激发光谱范围适合系统的激光器进行激发。如光学投影断层成像系统所用激光器为488nm波长，则选用荧光微珠的激发光谱包含488nm，且在488nm波长信号最强为最佳。

仿体中的荧光微珠为五个，将它们等间距排成一列，从而形成一个线阵，该线阵与光学断层成像系统的旋转轴平行放置，并且使线阵靠近旋转轴，对仿体进行360度扫描，获取二维投影数据。

在步骤S102，根据所述样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取所述样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角。

在步骤S103，通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正。

进一步地，所述根据所述样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取所述样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角包括：

根据公式(1)计算所述旋转轴水平偏移量：

Δu＝M×|d-r| (1)

其中，Δu为所述旋转轴水平偏移量，M为光学投影断层成像系统的放大倍数，r为所述仿体中的荧光微珠对应的圆环的半径，d为电荷耦合元件CCD相机的中心与线阵的距离。

这里，旋转轴水平偏移量具体参照如图2所示的本发明实施例提供的旋转轴水平偏移量示意图，由仿体的线阵在光学投影断层成像系统的三维重建结果中平行于CCD相机的切面(简称为线阵切面)的数据信息求得。其中每一个荧光微珠的运动轨迹对应一个圆环，对应圆环的半径为r，然后通过公式(1)即可获得旋转轴水平偏移量。

进一步地，所述通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正包括：

将旋转台通过所述旋转轴水平偏移量向第一方向移动，并对所述仿体进行数据采集得到第一投影数据；

将所述第一投影数据进行重建得到第一重建切片；

如果所述第一重建切片中的仿体对应的圆环的圆心与所述CCD相机的中心重合，则所述光学投影断层成像系统的水平偏移校正完成；

如果所述第一重建切片中的仿体对应的圆环的圆心与所述CCD相机的中心不重合，则将所述旋转台通过所述旋转轴水平偏移量向第二方向移动。

这里，第一方向可以为向左，第二方向可以为向右，通过向左方向移动水平平移台来补偿CCD相机的偏移量，并再次使用光学投影断层成像系统，对仿体进行360度扫描获得仿体的投影数据，重建出仿体的重建切片。

进一步地，所述通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正还包括：

将CCD相机的探测器通过所述旋转角向所述第一方向旋转，并对所述仿体进行数据采集得到第二投影数据；

将所述第二投影数据进行重建得到第二重建切片；

如果所述第二重建切片中的仿体的切面与所述CCD相机的中轴线平行，则所述光学投影断层成像系统的旋转偏移校正完成；

如果所述第二重建切片中的仿体的切面与所述CCD相机的中轴线不平行，则将CCD相机的探测器通过所述旋转角向所述第二方向旋转。

这里，第一方向可以为向左，通过向左方向旋转CCD相机来直接补偿偏差角，并再次使用光学投影断层成像系统，对仿体进行360度扫描获得仿体的投影数据，重建出仿体的重建切片。

进一步地，所述三维重建数据包括样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息包括：

根据公式(2)计算所述旋转信息：

α＝sin^-1d/l (2)

其中，α为所述旋转信息，d为所述CCD相机的中心与线阵的距离，l为所述线阵与CCD相机中轴线的交点到所述CCD相机中心的距离。

这里，旋转角具体参照如图3所示的本发明实施例提供的旋转角示意图，旋转轴的旋转信息是根据仿体的线阵在光学投影断层成像系统的三维重建结果中平行于CCD相机的切面的数据信息得到。没有旋转偏移的线阵位置标为位置0，有一定旋转角的线阵位置标为位置1，在只考虑旋转误差的情况下，此时线阵在位置1下，已知CCD相机中心到线阵的距离d，线阵与CCD相机中轴线的交点到相机中心的距离l，可通过公式(2)得到。

进一步地，所述方法还包括：

如果所述线阵的平面与所述CCD相机平面的投影垂直，且以所述线阵中的最小的荧光微珠为中心并依次增大，则所述仿体的旋转轴位于最优的景深之内。

这里，线阵中包括5个荧光微珠，其中，中间的荧光微珠最小，以最小的荧光微珠为中心，使两侧的荧光微珠依次增大。

进一步地，所述方法还包括：

如果所述荧光微珠的投影从所述第一方向向所述第二方向增大，则将所述旋转台向所述第一方向移动；

如果所述荧光微珠的投影从所述第一方向向所述第二方向减小，则将所述旋转台向所述第二方向移动。

这里，第一方向为左，第二方向为右。第一方向向第二方向是指从左向右，第二方向向第一方向是指从右向左。

具体地，参照如图4所示的本发明实施例提供的光学投影断层成像系统的景深信息估计示意图。

如图4所示，光学投影断层成像系统的景深信息估计是根据仿体中的五个荧光微珠的相对大小来进行判断的。

本发明可以利用仿体的俯仰对光学投影断层成像系统景深进行估计。如果光学投影断层成像系统扫描得到的三维重建结果中，线阵平面在垂直CCD相机平面的投影中，中间荧光微珠最小，两侧的逐渐变大，具体a所示，表明仿体所在旋转轴的位置基本处于最佳的景深之内。

将靠近相机的一侧作为左侧，远离的一侧作为右侧，如果从左向右，荧光微珠的投影愈来愈大，如b所示，则需要向左移动旋转台使仿体处于最佳景深之内；如果从左向右，荧光微珠的投影愈来愈小，如c所示，则需要向右移动旋转台使仿体处于最佳景深之内。

图5为本发明实施例提供的光学投影断层成像系统示意图。

如图5所示，光学投影断层成像系统包括CCD相机1、显微装置2、旋转台3和仿体4.

具体过程如下：通过激光器照射仿体4，使旋转台3以360度的方向旋转仿体4，CCD相机1通过显微装置2采集仿体4的二维投影数据。

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 (3)

1.一种基于仿体的光学投影断层成像系统的几何校正方法，其特征在于，所述方法包括：

对仿体进行数据采集得到二维投影数据，并且将所述二维投影数据进行三维重建得到三维重建数据，所述三维重建数据包括样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息；

根据所述样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取所述样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角；

通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正；

所述根据所述样本旋转轴水平偏移和旋转信息获取所述样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息对应的旋转轴水平偏移量和旋转角包括：

根据下式计算所述旋转轴水平偏移量：

Δu＝M×|d-r|

其中，Δu为所述旋转轴水平偏移量，M为光学投影断层成像系统的放大倍数，r为所述仿体中的荧光微珠对应的圆环的半径，d为电荷耦合元件CCD相机的中心与线阵的距离；

所述通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正包括：

将旋转台通过所述旋转轴水平偏移量向第一方向移动，并对所述仿体进行数据采集得到第一投影数据；

将所述第一投影数据进行重建得到第一重建切片；

如果所述第一重建切片中的仿体对应的圆环的圆心与所述CCD相机的中心重合，则所述光学投影断层成像系统的水平偏移校正完成；

如果所述第一重建切片中的仿体对应的圆环的圆心与所述CCD相机的中心不重合，则将所述旋转台通过所述旋转轴水平偏移量向第二方向移动；

所述通过所述旋转轴水平偏移量和旋转角分别将所述旋转轴水平偏移量和旋转角对应的水平偏移和旋转偏移进行几何校正还包括：

将CCD相机的探测器通过所述旋转角向所述第一方向旋转，并对所述仿体进行数据采集得到第二投影数据；

将所述第二投影数据进行重建得到第二重建切片；

如果所述第二重建切片中的仿体的切面与所述CCD相机的中轴线平行，则所述光学投影断层成像系统的旋转偏移校正完成；

如果所述第二重建切片中的仿体的切面与所述CCD相机的中轴线不平行，则将CCD相机的探测器通过所述旋转角向所述第二方向旋转；

所述三维重建数据包括样本旋转轴水平偏移信息和旋转信息包括：

根据下式计算所述旋转信息：

α＝sin^-1d/l

其中，α为所述旋转信息，d为所述CCD相机的中心与线阵的距离，l为所述线阵与CCD相机中轴线的交点到所述CCD相机中心的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果所述线阵的平面与所述CCD相机平面的投影垂直，且以所述线阵中的最小的荧光微珠为中心并依次增大，则所述仿体的旋转轴位于最优的景深之内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

如果所述荧光微珠的投影从所述第一方向向所述第二方向增大，则将所述旋转台向所述第一方向移动；

如果所述荧光微珠的投影从所述第一方向向所述第二方向减小，则将所述旋转台向所述第二方向移动。