CN110068572A - 基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法及装置，所述方法包括：标记物和样品的投影旋转中心相同，得到所述第一截面正弦图和第二截面正弦图，计算第一截面正弦图的平衡位置，通过对所述平衡位置到第一截面正弦图上边缘和下边缘的距离进行计算，得到目标高度值，对第二截面正弦图进行纵向裁剪或纵向修补，所述纵向裁剪和纵向修补的高度值均为目标高度值，对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建，得到样品的目标重建截面图。本发明通过引入标记物作为参考物，快速计算出样品的投影旋转中心，不受样品结构复杂性影响，实现投影旋转中心校正，降低重建截面的伪影，提高成像质量。

Description

基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学投影层析成像技术领域，更具体地说涉及基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法及装置。

背景技术

光学投影层析成像技术OPT(opticalprojection tomography)是一种新的三维成像技术，具有非接触，探测深度大，分辨率高等优点。它是利用样品不同角度下的投影信息，经滤波反投影重建算法重建出样品的断层结构，继而得出样品的三维结构信息。在OPT成像过程中，投影旋转中心的偏差会导致重建切片出现较为严重的伪影，使得重建切片质量下降。因此，校正投影旋转中心是得到高质量反投影重建结构的一个重要前提。

现阶段的光学投影层析成像技术有较多校正投影旋转中心的方法，常用的有迭代法，基于投影地址求平均法等。迭代法是利用迭代重建的方法，结合约束条件，确定投影旋转中心的位置坐标；基于投影地址求平均法是基于“质点扫描一周投影地址的积分为零”的规律，通过计算穿过样品的光束投影地址的均值，获得投影旋转中心的坐标。

对于迭代法来说，该方法运行速度慢；而基于投影地址求平均法虽得出的投影旋转中心精度较高，但是不能在投影正弦图丢失信息时，较为精准地定位投影旋转中心。

在滤波反投影重建算法(张顺利,李卫斌,唐高峰.滤波反投影图像重建算法研究[J].咸阳师范学院学报,2008,23(4))中，样品在某角度下采集到的数据为该角度下的射线投影值，重建得到的断层面中某一点的值为该平面内不同角度下所有通过该点的射线投影值的平均值，采集样品不同角度的投影信息，将同一断层面所有的投影信息等角度差排列形成对应的正弦图像，则空间中样品上的一个点在不同角度下的投影位置在正弦图像上对应为一条正弦线(离散)，正弦线的中心线对应的横轴为样品旋转中心点在不同角度下的投影信息，在反投影过程中，将不同角度下的位置信息按投影角度均匀回抹，而算法默认正弦图像的中心横轴为样品旋转中心点在不同角度下的投影位置，但在实际的实验操作中，由于样品投影旋转中心不可避免地出现偏离，使得样品形成的正弦图像中的正弦线会出现整体地向上或向下移动，即正弦图像上的中心横轴所对应的信息并不总为样品的投影旋转中心信息，这就使得反投影后的图像出现明显的伪影。

在现实所研究的物体中，由于其内部结构复杂，即切片信息多，其切片对应的投影正弦图并不是一条完美的正弦曲线，而是无数条正弦线叠在一起的类正弦线，而且该类正弦线是离散的，因此进行正弦图像中心校正时候需要优先减少正弦图像歧点的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种使得重建出来的断层图像伪影减少，质量较高的基于光学投影层析成像正弦图定标校正投影旋转中心的方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，所述方法包括：

标记物和样品的投影旋转中心相同；

得到所述标记物横切截面的第一截面正弦图和所述样品横切截面的第二截面正弦图；

得到所述第一截面正弦图上的正弦曲线的纵坐标的最大值和最小值；

通过所述最大值和最小值得到所述正弦曲线的平衡位置的纵坐标值；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的上边缘的纵向距离，记为第一距离；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的下边缘的纵向距离，记为第二距离；

计算所述第一距离与第二距离的差值，得到目标高度值；

若第一距离大于第二距离，则对所述第二截面正弦图的上边缘进行纵向裁剪或对所述第二截面正弦图的下边缘进行纵向修补；

若第二距离大于第一距离，则对所述第二截面正弦图的下边缘进行纵向裁剪或对所述第二截面正弦图的上边缘进行纵向修补；

所述纵向裁剪和纵向修补的纵向高度值均为目标高度值；

对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建，得到样品的目标重建截面图。

进一步，所述得到所述标记物横切截面的第一截面正弦图和所述样品横切截面的第二截面正弦图的过程为：

驱动标记物和样品同步转动360°，在转动过程中每转动一次预设角度，采集一次所述样品与标记物在该角度的投影信息；

将采集得到的标记物横切截面的不同角度的投影信息等角度差排列形成第一截面正弦图；

将采集得到的样品横切截面的不同角度的投影信息等角度差排列形成第二截面正弦图。

进一步，所述预设角度为1.8°。

进一步，所述标记物横切截面的面积为S，则0.5mm²≤S≤3mm²。

进一步，所述对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建的过程为：

对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图采用滤波反投影重建算法。

进一步，所述平衡位置的纵坐标值为所述最大值和最小值的平均数。

进一步，基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的装置，包括：白光光源、准直透镜、毛玻璃、折射率匹配池、远心镜头、相机、旋转台、电脑处理终端和驱动模块，所述电脑处理终端分别与所述驱动模块和相机电连接；

样品和标记物形成一体物，所述标记物和样品的投影旋转中心相同，所述一体物浸泡在所述折射率匹配池中，所述一体物的上端与所述旋转台固定连接，所述驱动模块与所述旋转台固定连接，所述驱动模块驱动所述旋转台带动所述一体物旋转360°；

所述白光光源发出的光束依次透过所述准直透镜和毛玻璃，出射光透过折射率匹配池射向标记物和样品，所述远心镜头和相机接收透过标记物和样品的光束。

进一步，所述驱动模块为步进电机。

本发明的有益效果是：本发明通过引入标记物作为参考物，快速计算出样品的投影旋转中心，不受样品结构复杂性影响，实现投影旋转中心校正，降低重建截面的伪影，提高成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本实施例的流程图；

图2是本实施例中MATLAB模拟实验中模拟标记物的截面图；

图3是本实施例中模拟标记物横切截面的第一模拟正弦图；

图4是本实施例中图3未校正投影旋转中心时的第一模拟重建截面图；

图5是本实施例中图3校正投影旋转中心后的第二模拟重建截面图；

图6是图2中直线m和图4中直线h的像素值；

图7是图2中直线m和图5中直线n的像素值；

图8是本实施例的装置结构示意图；

图9是本实施例的琼脂实验中标记物和样品原始位置的光吸收图像；

图10是本实施例的琼脂实验中标记物校正前的第一截面正弦图；

图11是本实施例的琼脂实验中样品校正前的第二截面正弦图；

图12是本实施例的琼脂实验中样品校正后的正弦图；

图13是本实施例的琼脂实验中样品的目标重建截面图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，所述方法包括：

标记物和样品的投影旋转中心相同；

得到所述标记物横切截面的第一截面正弦图和所述样品横切截面的第二截面正弦图；

得到所述第一截面正弦图上的正弦曲线的纵坐标的最大值和最小值；

通过所述最大值和最小值得到所述正弦曲线的平衡位置的纵坐标值；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的上边缘的纵向距离，记为第一距离；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的下边缘的纵向距离，记为第二距离；

计算所述第一距离与第二距离的差值，得到目标高度值；

若第一距离大于第二距离，则对所述第二截面正弦图的上边缘进行纵向裁剪或对所述第二截面正弦图的下边缘进行纵向修补；

若第二距离大于第一距离，则对所述第二截面正弦图的下边缘进行纵向裁剪或对所述第二截面正弦图的上边缘进行纵向修补；

所述纵向裁剪和纵向修补的纵向高度值均为目标高度值；

对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建，得到样品的目标重建截面图。

纵向裁剪和纵向修补后使得样品的投影旋转中心位于纵向裁剪和纵向修补后的第二截面正弦图的中部。

作为优化，所述得到所述标记物横切截面的第一截面正弦图和所述样品横切截面的第二截面正弦图的过程为：

驱动标记物和样品同步转动360°，在转动过程中每转动一次预设角度，采集一次所述样品与标记物在该角度的投影信息；

将采集得到的标记物横切截面的不同角度的投影信息等角度差排列形成第一截面正弦图；

将采集得到的样品横切截面的不同角度的投影信息等角度差排列形成第二截面正弦图。

作为优化，所述预设角度为1.8°。

通过投影信息得到正弦图的原理：采集得到不同角度下的投影信息形成投影图像，对投影图像运用图解法，得到样品中的一个点，通过该点不同角度下的投影信息等角度差排列形成正弦图。

作为优化，所述标记物横切截面的面积为S，则0.5mm²≤S≤3mm²。

在本实施例中，所述标记物横切截面的面积为1mm²，所述第一截面正弦图上的所有像素点的分布近似一条正弦曲线，便于通过正弦曲线计算出投影旋转中心。

作为优化，所述对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建的过程为：

对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图采用滤波反投影重建算法。

作为优化，所述平衡位置的纵坐标值为所述最大值和最小值的平均数。

通过引入细小的标记物，要求标记物的横切截面的尺寸接近于一个点。标记物和待测样品纵向放置，埋在同一琼脂块中，形成稳定的一体物，以保证其投影旋转中心与样品一致，得到标记物横切截面的正弦图，所述正弦图对应得到的投影旋转中心即为样品的投影旋转中心。

利用MATLAB的函数计算功能，对该正弦图进行二值化，除去背景歧点的干扰。此时标记物的切片信息为一条正弦曲线，在该正弦线上对应的像素值为“1”，即可通过MATLAB的find函数找到其对应的纵坐标，再结合max函数和min函数，可得到该正弦曲线上纵坐标的最大值与最小值，通过计算所述最大值和最小值的平均值，继而求得正弦曲线的平衡位置的纵坐标，通过已知的正弦图的尺寸，可进一步求得该平衡位置离图片上下边缘的距离大小，将得到的大距离减去小距离，得到在正弦图上在距离大的位置应纵向裁剪的数值或在小距离的位置要纵向修补上的数值。

利用MATLAB的模拟运算功能进行模拟实验，来验证本发明方法。具体实施方式：

参照图2，创建一个100*100的零矩阵，将该矩阵的一个点赋值为“1”，即为图2中的O点，本实验中模拟标记物的横切截面近似一个点，将所述O点作为模拟标记物的横切截面。其中O点的纵坐标为a1，直线m上所有点的纵坐标均为a1。

参考图3，对所述模拟标记物进行radon变换，模拟获取模拟标记物旋转360°过程中不同角度的投影信息，得到所述模拟标记物横切截面的第一模拟正弦图。对所述第一模拟正弦图进行二值化后采用find函数，得到所述第一模拟正弦图上的正弦曲线的所有纵坐标值，再运用max函数及min函数找到这些纵坐标中的最大值与最小值，通过计算所述最大值和最小值的平均值，继而得到所述正弦曲线的平衡位置的纵坐标值。

计算所述平衡位置与所述第一模拟正弦图的上边缘的纵向距离，即为第一模拟距离，以及计算所述平衡位置与所述第一模拟正弦图的下边缘的纵向距离，即为第二模拟距离；计算所述第一模拟距离与第二模拟距离的差值，得到模拟高度值；

若第一模拟距离大于第二模拟距离，则对所述第一模拟正弦图的上边缘进行纵向裁剪或对所述第一模拟正弦图的下边缘进行纵向修补；

若第二模拟距离大于第一模拟距离，则对所述第一模拟正弦图的下边缘进行纵向裁剪或对所述第一模拟正弦图的上边缘进行纵向修补；

所述纵向裁剪和纵向修补的高度值均为所述模拟高度值。

本模拟实验中第二模拟距离大于第一模拟距离，通过对所述第一模拟正弦图的下边缘进行纵向裁剪或对所述第一模拟正弦图的上边缘进行纵向修补来实现对投影旋转中心的校正。

所述纵向修补的过程：先创建一个零矩阵，该零矩阵的宽与第一模拟正弦图的宽一致，高为所述第一模拟正弦图的高加上模拟高度值，若为对所述第一模拟正弦图的上边缘进行纵向修补，则需要将该零矩阵的后i行(其中i为第一模拟正弦图的高)像素赋值为第一模拟正弦图的像素值，将赋值后的零矩阵作为纵向修补后的第一模拟正弦图。

本模拟实验通过纵向裁剪来实现对投影旋转中心的校正，参考图3，图中直线L以下部分为纵向裁剪部分，所述直线L以下部分的垂直高度值为模拟高度值。

在未进行校正前，参考图2、图4和图6，所述第一模拟正弦图通过滤波反投影重建算法得到第一模拟重建截面图。图2中的模拟标记物的横切截面为O点，而将所述第一模拟正弦图反投影重建后得到的却是圆环，两者相差极大。

图4中直线h上所有点的纵坐标均为a1，直线h与图4中的环相交的两个点分别为A点和B点。图6中曲线M1代表图2中直线m的像素曲线，曲线H1代表图4中直线h的像素曲线，曲线M1和曲线H1的波峰数量和位置均不相同，其中C点、D点分别代表A点、B点的像素值，而C点和D点的距离对应图4中A点和B点的距离，同时对应第一模拟重建截面图形成的伪影大小。

由此可见，模拟标记物在旋转的过程偏离投影旋转中心，使得反投影重建后的图像出现明显的伪影。

校正后，通过对所述第一模拟正弦图的下边缘进行纵向裁剪。参考图2和图5，校正后的第一模拟正弦图通过滤波反投影重建算法得到第二模拟重建截面图，同时得到P点，P点的纵坐标为a2，直线n上所有点的纵坐标均为a2。参考图7，图7中的曲线M2代表图2中直线m的像素曲线，曲线N1代表图5中直线n的像素曲线，从图7中可以看出曲线M2和曲线N1几乎重合，即直线m和直线n的像素值曲线几乎重合，第二模拟重建截面图像的伪影得到了极大的改善。

通过对正弦图进行纵向裁剪或纵向修补，可以有效校正投影旋转中心，进而有效减少重建截面图的伪影，提高成像图的质量。

作为优化，将所述基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法应用在一种基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的装置上。

基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的装置，包括：白光光源100、准直透镜200、毛玻璃300、折射率匹配池400、远心镜头700、相机800、旋转台500、电脑处理终端900和驱动模块600，所述电脑处理终端900分别与所述驱动模块600和相机800电连接；

样品和标记物形成一体物，所述标记物和样品的投影旋转中心相同，所述一体物浸泡在所述折射率匹配池400中，所述一体物的上端与所述旋转台500固定连接，所述驱动模块600与所述旋转台500固定连接，所述驱动模块600驱动所述旋转台500带动所述一体物旋转360°；

所述白光光源100发出的光束依次透过所述准直透镜200和毛玻璃300，出射光透过折射率匹配池400射向标记物和样品，所述远心镜头700和相机800接收透过标记物和样品的光束。

作为优化，所述驱动模块600为步进电机。

所述白光光源100与电源模块连接，所述电源模块为所述白光电源提供电能。

本实施例中，所述白光光源100的型号为LA-150FBU，额定功率为190W。所述远心镜头的型号为Edmund optics 58428，放大倍数为0.3X，所述相机800的型号为BasleracA2000-340kmNIR。

折射率匹配池400在匹配光在不同介质间的折射率不同的同时，也起到维持样品活性的作用。所述折射率匹配池400中的液体可为纯净水。

以发明装置来进行琼脂实验：

将两块高浓度长条方形琼脂条作为样品包埋在低浓度圆柱形琼脂里，以头发丝作为标记物固定在圆柱形琼脂里，琼脂条与标记物在圆柱形琼脂的固定下形成稳定的一体物，以确保标记物与样品的投影旋转中心一致。

投影信息采集：白光光源100发出的光束经准直透镜200准直平行后射向毛玻璃300，透过毛玻璃300形成照射均匀的扩散光，所述扩散光照射到样品和标记物。所述扩散光通过样品和标记物后得到包含样品和标记物的内部信息的投影光束，所述远心镜头700和相机800的感光元件接收所述投影光束，得到投影信息，并将所述投影信息传输到电脑处理终端900。

所述样品和标记物浸泡在所述折射率匹配池400中，所述折射率匹配池400的上端设有驱动模块600，所述圆柱形琼脂与所述旋转台500固定连接，即所述驱动模块600通过驱动旋转台500转动带动样品和标记物同步360°旋转，所述标记物和样品的投影旋转中心相同；

所述驱动模块600带动样品和标记物进行360°旋转的过程中，所述驱动模块600带动圆柱形琼脂每转动1.8°，相机800曝光一次，所述远心镜头700和相机800采集一次样品和标记物的投影信息，每组实验共采集200次投影信息，得到不同角度的投影图像，将采集到的不同角度的投影信息发送到电脑处理终端900，电脑处理终端900对所述投影信息进行处理。

参考图9，标记物和样品在旋转起始位置的投影图像，即旋转角度为0°时的位置，图9中直线E处为标记物横切位置，通过对投影图像运用图解法，得到投影图像中一个点，通过该点不同角度下的投影信息得到正弦图。得到标记物的横切截面正弦图，作为第一截面正弦图，即图10。图9中直线F处为样品横切位置，同理得到样品的横切截面正弦图，作为第二截面正弦图，即图11。

通过MATLAB得到第一截面正弦图上的正弦曲线的纵坐标的最大值和最小值，计算得到所述正弦曲线的平衡位置的纵坐标值；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的上边缘的纵向距离，即为第一距离；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的下边缘的纵向距离，即为第二距离；

计算所述第一距离与第二距离的差值，得到目标高度值；

本实施例中，第二距离大于第一距离，通过纵向裁剪进行投影旋转中心的校正。参考图10，直线K1到第一截面正弦图的下边缘的垂直距离等于目标高度值，参考图11，直线K2到第二截面正弦图的下边缘的垂直距离等于目标高度值。

对所述第二截面正弦图的下边缘沿直线k进行纵向裁剪，参考图12，纵向裁剪后得到样品投影旋转中心校正后的正弦图。

参考图13，对样品投影旋转中心校正后的正弦图采用滤波反投影重建算法，得到样品的目标重建截面图，反投影得到的样品的目标重建截面图的伪影少，重建效果显著。

根据以上方法得到样品的全部目标重建截面图，即可得到样品的是三维结构。

本发明通过引入标记物作为参考物，快速计算出样品的投影旋转中心，不受样品结构复杂性影响，实现投影旋转中心校正，降低重建截面的伪影，提高成像质量。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，其特征在于，所述方法包括：

标记物和样品的投影旋转中心相同；

得到所述标记物横切截面的第一截面正弦图和所述样品横切截面的第二截面正弦图；

得到所述第一截面正弦图上的正弦曲线的纵坐标的最大值和最小值；

通过所述最大值和最小值得到所述正弦曲线的平衡位置的纵坐标值；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的上边缘的纵向距离，记为第一距离；

得到所述平衡位置与所述第一截面正弦图的下边缘的纵向距离，记为第二距离；

计算所述第一距离与第二距离的差值，得到目标高度值；

若第一距离大于第二距离，则对所述第二截面正弦图的上边缘进行纵向裁剪或对所述第二截面正弦图的下边缘进行纵向修补；

若第二距离大于第一距离，则对所述第二截面正弦图的下边缘进行纵向裁剪或对所述第二截面正弦图的上边缘进行纵向修补；

所述纵向裁剪和纵向修补的纵向高度值均为目标高度值；

对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建，得到样品的目标重建截面图。

2.根据权利要求1所述的基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，其特征在于：所述得到所述标记物横切截面的第一截面正弦图和所述样品横切截面的第二截面正弦图的过程为：

驱动标记物和样品同步转动360°，在转动过程中每转动一次预设角度，采集一次所述样品与标记物在该角度的投影信息；

将采集得到的标记物横切截面的不同角度的投影信息等角度差排列形成第一截面正弦图；

将采集得到的样品横切截面的不同角度的投影信息等角度差排列形成第二截面正弦图。

3.根据权利要求2所述的基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，其特征在于：所述预设角度为1.8°。

4.根据权利要求2所述的基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，其特征在于：所述标记物横切截面的面积为S，则0.5mm²≤S≤3mm²。

5.根据权利要求1所述的基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，其特征在于：所述对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图进行反投影重建的过程为：

对纵向裁剪或纵向修补后的第二截面正弦图采用滤波反投影重建算法。

6.根据权利要求1所述的基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的方法，其特征在于：所述平衡位置的纵坐标值为所述最大值和最小值的平均数。

7.基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的装置，其特征在于，包括：白光光源、准直透镜、毛玻璃、折射率匹配池、远心镜头、相机、旋转台、电脑处理终端和驱动模块，所述电脑处理终端分别与所述驱动模块和相机电连接；

样品和标记物形成一体物，所述标记物和样品的投影旋转中心相同，所述一体物浸泡在所述折射率匹配池中，所述一体物的上端与所述旋转台固定连接，所述驱动模块与所述旋转台固定连接，所述驱动模块驱动所述旋转台带动所述一体物旋转360°；

所述白光光源发出的光束依次透过所述准直透镜和毛玻璃，出射光透过折射率匹配池射向标记物和样品，所述远心镜头和相机接收透过标记物和样品的光束。

8.根据权利要求7所述的基于光学投影层析正弦图标定旋转中心的装置，其特征在于：所述驱动模块为步进电机。