CN107144954B - 成像系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种成像系统和成像方法。成像系统包括：荧光显微镜，其中，荧光显微镜包括激光源和物镜，样本放置在物镜的焦平面上，激光源用于发射激光以照射样本，物镜用于将被激光照射的样本放大在物镜的像平面上，以获得样本的实像；空域掩膜，空域掩膜设置物镜的像平面上，空域掩膜用于对样本的实像进行掩膜调制；4f系统，4f系统设置在所述空域掩膜之后，样本的实像经过空域掩膜到达4f系统；光栅，光栅设置在4f系统中间的傅里叶平面上，光栅用于对将样本的实像进行分离以获得分离之后的实像；以及图像传感器，用于采集分离之后的实像以获得样本的图像。

Description

成像系统和方法
技术领域
本申请涉及显微成像技术领域，特别涉及一种成像系统和方法。
背景技术
在生命科学领域中，大多数样本是透明的。在观测透明的样本时，往往使用荧光染料对样本进行标记，使得样本能够被观测到。而在标记的过程中，往往会使用不同光谱的荧光进行标定，从而得到多个光谱通道混叠的图像。区分图像中的多个混叠的光谱通道有助于研究样本的特定结构。
发明内容
本申请旨在至少从一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种成像系统。该系统可以显著提高多光谱成像的速率。
本申请的第二个目的在于提出一种成像方法。
为达到上述目的，本申请的实施例公开的一种成像系统，包括：荧光显微镜，其中，所述荧光显微镜包括激光源和物镜，样本放置在所述物镜的焦平面上，所述激光源用于发射激光以照射所述样本，所述物镜用于将被所述激光照射的所述样本放大在所述物镜的像平面上，以获得所述样本的实像；空域掩膜，所述空域掩膜设置所述物镜的像平面上，所述空域掩膜用于对所述样本的实像进行掩膜调制；4f系统，所述4f系统设置在所述空域掩膜之后，所述样本的实像经过所述空域掩膜到达所述4f系统；光栅，所述光栅设置在所述4f系统中间的傅里叶平面上，所述光栅用于对将所述样本的实像进行分离以获得分离之后的实像；以及图像传感器，用于采集所述分离之后的实像以获得所述样本的图像。
根据本申请实施例的成像系统，对相关技术中的普通的荧光显微镜进行结构上的改进，增加了空域掩膜和4f系统，并利用光栅进行分光调制，可以显著提高多光谱成像的速率。同时，也能够有效地提升光效率，使拍到的图像质量显著提升。
在本申请的一个实施例中，所述空域掩膜设置在所述4f系统的前焦平面上。
在本申请的一个实施例中，还包括：反射镜，所述反射镜用于将所述样本的实像反射至所述空域掩膜。
在本申请的一个实施例中，经过所述光栅的不同波长的光发生不同角度的偏转并在所述4f系统的像平面上汇聚成不同的点。
在本申请的一个实施例中，所述空域掩膜包括预设的掩膜模式。
在本申请的一个实施例中，所述图像传感器是灰度图像传感器。
在本申请的一个实施例中，为达到上述目的，本申请的实施例公开的一种成像方法，应用于上述任一项实施例所述的成像系统，所述方法包括：利用所述成像系统获得所述样本的图像；获得所述图像在预设的多光谱过完备字典下的至少一个稀疏表达系数，其中所述多光谱过完备字典包括分别对应于多个光谱段的多个过完备字典；根据所述至少一个稀疏表达系数和所述至少一个稀疏表达系数对应的至少一个光谱段对所述图像进行光谱拆分，以获得所述样本的多光谱图像。
根据本申请实施例的成像方法，主要利用了自然图像固有的稀疏性，根据预设的多光谱过完备字典，实现了宽视场、单次曝光下的多光谱成像。
在本申请的一个实施例中，所述获得所述图像在预设的多光谱过完备字典下的至少一个稀疏表达系数，包括：根据所述预设的多光谱过完备字典，利用K-SVD算法求解所述图像以获得所述至少一个稀疏表达系数。
在本申请的一个实施例中，方法还包括：建立所述预设的多光谱过完备字典，所述建立所述预设的多光谱过完备字典包括：使用不同荧光染色不同结构的样本，获得多个多光谱图像；对所述多个多光谱图像进行学习训练以获得所述多个初始过完备字典，每个所述初始过完备字典对应每个光谱段；获得所述光栅的点扩散函数；对所述多个初始过完备字典和所述点扩散函数进行卷积以获得所述预设的多光谱过完备字典。
附图说明
图1是根据本申请实施例的成像系统的示意图；
图2是根据本申请实施例的成像系统的示意图；
图3是根据本申请实施例的两个荧光谱段的PSF调制曲线；
图4是根据本申请实施例的成像方法的流程图；
图5是根据本申请实施例的成像方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
图1是根据本申请实施例的成像系统的示意图。如图1所示，成像系统10包括：荧光显微镜110、空域掩膜120、4f系统130、光栅140和图像传感器150。
在本申请的一个实施例中，荧光显微镜110包括激光源和物镜(图1中未示出)。样本放置在物镜的焦平面上。激光源用于发射激光。激光源发出的激光照射样本。物镜用于将被激光照射的样本放大在物镜的像平面上，以获得样本的实像。具体地，荧光显微镜110可以是相关技术中的普通荧光显微镜。荧光显微镜110中的其他组件可以参考相关技术，本领域技术人员可以根据相关技术获知荧光显微镜110中的其他组件，在此荧光显微镜110中的其他组件不再赘述。
空域掩膜120设置物镜的像平面上。空域掩膜120用于对样本的实像进行掩膜调制。采用空域掩膜120进行掩膜以成像的目的是降低重建算法(后续实施例将叙述)中需要复原的变量个数，提高成像的准确性。
4f系统130设置空域掩膜120之后。样本的实像经过空域掩膜120到达4f系统130。其中，4f系统130包括两个焦距为f的透镜，其相距2f，物距为f，相距也为f。
光栅140设置在4f系统130中间的傅里叶平面上。光栅140用于对将样本的实像进行分离以获得分离之后的实像。图像传感器150用于采集分离之后的实像以获得样本的图像。
图2是根据本申请实施例的成像系统的示意图。如图2所示，成像系统20包括：物镜211、反射镜212、空域掩膜220、4f系统230、光栅240和图像传感器250。
其中，样本201放置在物镜211的焦平面上。物镜211将其焦平面上的样本放大至其像平面上。在物镜211的像平面上设置反射镜212。反射镜212用于将样本的实像反射至空域掩膜220。空域掩膜220设置在物镜211的像平面上。空域掩膜220的位置即为4f系统230的前焦平面。光栅240设置在4f系统230中间的傅里叶面上。图像传感器250设置在4f系统230之后的像平面上。
在本申请的实施例中，空域掩膜220包括预设的掩膜模式。例如，随机的二维0-1模式等。
在本申请的实施例中，经过光栅240的不同波长的光发生不同角度的偏转并在4f系统230的像平面上汇聚成不同的点。
与相关技术中的光栅分光方案不同的是，本申请的光栅240没有设置在4f系统230的像平面(也即后焦平面)，而是设置4f系统230的傅里叶面上(即中间焦平面)。根据傅里叶光学的原理，4f系统230中间的中间焦平面为物体经过低通滤波后的傅里叶域信息。如果光栅240放置在4f系统230中间焦平面上，不同波长的光会发生不同角度的偏转，并汇聚于4f系统230的像平面不同的点。该过程等价于在傅里叶域的x方向乘以一个相位因子，不同波长对应不同的相位因子。由于傅里叶域中不同的相位因子，会导致不同波长的点扩散函数不同。而像的信息等于物的信息于点扩散函数进行卷积。图像传感器250可以获得像函数(即像的信息)以及不同波长特定的点扩散函数(point spread function，PSF)。获得像函数以及不同波长特定的点扩散函数之后，使用解卷积算法可以实现光谱的分离，进而实现多光谱成像。例如，两个荧光谱段的PSF调制曲线如图3所示，其中横坐标表示传感器上的像素坐标，纵坐标表示归一化强度。
在本申请的实施例中，图像传感器250是灰度图像传感器。
根据本申请上述实施例的成像系统，对相关技术中的普通的荧光显微镜进行结构上的改进，增加了空域掩膜和4f系统，并利用光栅进行分光调制，可以显著提高多光谱成像的速率，同时，也能够有效地提升光效率，使拍到的图像质量显著提升。
为了实现多光谱成像，本申请实施例还提出一种成像方法。本申请实施例的成像方法主要基于以下原理。
(1)图像的稀疏性
可以使用二维矩阵表示灰度数字图像。该二维矩阵通常是满秩的。然而，如果在以一组过完备字典作为基矩阵的前提下，该灰度数字图像可以被较少数目的变量进行稀疏表达。其中，稀疏表示的目的是在给定的过完备字典中用尽可能少的原子来表示图像，可以获得图像更为简洁的表示方式。也就是说，在基矩阵下，原图像将被表示成一组新的坐标，而这组坐标的零-范数最小。
显微成像的图像作为一种特殊的自然图像，其本身具有稀疏性。此外，由于同类生物结构往往在形态上具有足够的相似性，使用足够多的训练样本作为先验输入可以获得过完备字典。将实际拍摄到的显微成像的图像经过去躁、去模糊处理后，求得在该过完备字典下的稀疏表达即可得到真实的图像数据。
图4是根据本申请实施例的成像方法的流程图。如图4所示，该方法包括以下步骤。
S401，利用成像系统获得样本的图像。
利用成像系统具体拍摄样本的图像可参考上述成像系统实施例，在此不再赘述。
在本申请的实施例中，还可以对拍摄到的样本的图像进行预处理，例如，去躁、去模糊处理等。
S402，获得样本的图像在预设的多光谱过完备字典下的至少一个稀疏表达系数，其中多光谱过完备字典包括分别对应于多个光谱段的多个过完备字典。
S403，根据至少一个稀疏表达系数和至少一个稀疏表达系数对应的至少一个光谱段对图像进行光谱拆分，以获得样本的多光谱图像。
在本申请的实施例中，根据预设的多光谱过完备字典，利用K-SVD算法求解样本的图像以获得至少一个稀疏表达系数。其中，K-SVD是一种经典的字典训练算法，依据误差最小原则，对误差项进行SVD分解，选择使误差最小的分解项作为更新的字典原子和对应的原子系数，经过不断的迭代从而得到优化的解。
图5是根据本申请实施例的成像方法的流程图。如图5所示，该方法包括以下步骤。
S500，建立预设的多光谱过完备字典。
建立预设的多光谱过完备字典包括：使用不同荧光染色不同结构的样本，获得多个多光谱图像；对多个多光谱图像进行学习训练以获得多个初始过完备字典，每个初始过完备字典对应每个光谱段；获得光栅的点扩散函数；对多个初始过完备字典和点扩散函数进行卷积以获得预设的多光谱过完备字典。
具体地，培养大量训练细胞，对不同细胞结构进行染色。利用低速地高分辨率成像系统(比如共聚焦显微镜)，进行多光谱成像，并将这部分成像作为不同谱段的训练样本，学习出过完备字典。由于不同谱段的荧光标记了细胞的不同结构，其将具有不同的先验特性，只要训练样本的数目足够大，我们就可以获得一组高质量的过完备字典。
S501，利用成像系统获得样本的图像。
S502，获得样本的图像在预设的多光谱过完备字典下的至少一个稀疏表达系数，其中多光谱过完备字典包括分别对应于多个光谱段的多个过完备字典。
S503，根据至少一个稀疏表达系数和至少一个稀疏表达系数对应的至少一个光谱段对图像进行光谱拆分，以获得样本的多光谱图像。
另外，恢复上述多光谱图像的过程本质上为一个求解矩阵方程的问题。本申请实施例使用空域掩膜在空域上进行掩膜调制能够使得变量个数下降，在约束方程数目一致的情况下，能够更加良好快速地恢复出精确解。
根据本申请实施例的成像方法，主要利用了自然图像固有的稀疏性，训练显微样本获得先验知识，并将其应用到光谱维度的扩展上，实现了宽视场、单次曝光的多光谱成像。
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。在本申请的描述中，“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。
在本申请中，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申请中的具体含义。
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申请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申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种成像方法，其特征在于，所述方法应用于成像系统，所述成像系统，包括：
荧光显微镜，其中，所述荧光显微镜包括激光源和物镜，样本放置在所述物镜的焦平面上，所述激光源用于发射激光以照射所述样本，所述物镜用于将被所述激光照射的所述样本放大在所述物镜的像平面上，以获得所述样本的实像；
空域掩膜，所述空域掩膜设置所述物镜的像平面上，所述空域掩膜用于对所述样本的实像进行掩膜调制；
4f系统，所述4f系统设置在所述空域掩膜之后，所述样本的实像经过所述空域掩膜到达所述4f系统；
光栅，所述光栅设置在所述4f系统中间的傅里叶平面上，所述光栅用于将所述样本的实像进行分离以获得分离之后的实像；以及
图像传感器，用于采集所述分离之后的实像以获得所述样本的图像；
反射镜，所述反射镜用于将所述样本的实像反射至所述空域掩膜；
其中，经过所述光栅的不同波长的光发生不同角度的偏转并在所述4f系统的像平面上汇聚成不同的点，所述图像传感器是灰度图像传感器；所述空域掩膜设置在所述4f系统的前焦平面上；所述空域掩膜包括预设的掩膜模式；
所述方法包括：
利用所述成像系统获得所述样本的图像；
获得所述图像在预设的多光谱过完备字典下的至少一个稀疏表达系数，其中所述多光谱过完备字典包括分别对应于多个光谱段的多个过完备字典；
根据所述至少一个稀疏表达系数和所述至少一个稀疏表达系数对应的至少一个光谱段对所述图像进行光谱拆分，以获得所述样本的多光谱图像；
建立所述预设的多光谱过完备字典，所述建立所述预设的多光谱过完备字典包括：
使用不同荧光染色不同结构的样本，获得多个多光谱图像；
对所述多个多光谱图像进行学习训练以获得所述多个初始过完备字典，每个所述初始过完备字典对应每个光谱段；
获得所述光栅的点扩散函数；
对所述多个初始过完备字典和所述点扩散函数进行卷积以获得所述预设的多光谱过完备字典。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述获得所述图像在预设的多光谱过完备字典下的至少一个稀疏表达系数，包括：
根据所述预设的多光谱过完备字典，利用K-SVD算法求解所述图像以获得所述至少一个稀疏表达系数。
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