CN111504177B - 一种高对比度编码显微成像系统及方法 - Google Patents

一种高对比度编码显微成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学领域，公开了一种高对比度编码显微成像系统及方法，系统包括编码光源模块和显微成像模块。其中，编码光源模块包含白光光源、光纤、扩束镜、光栅、消色差透镜、数字微镜器件、透镜组、锥型光纤及计算机，用于实现任意输出光源光谱的编码光源；显微成像模块包含载物台、物镜、透镜、相机以及计算机，用于采集编码显微图像。该方法利用光谱数据后处理方法计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，随后通过控制编码光源模块实现对应的光源输出光谱，最后通过在该编码光源照明下成像获得高对比度的编码显微图像。

Description

一种高对比度编码显微成像系统及方法
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种高对比度编码显微成像系统及方法。
背景技术
光学显微成像可提供关于样本的微细结构信息，已被广泛应用于生物、医学、材料科学等众多领域。而对比度作为衡量光学显微成像系统成像质量的关键技术指标之一，一直是显微成像领域研究的热点问题。由于待测样本对于光的选择吸收性，即待测样本中不同位置的组成成分对于不同波长下光的吸收不同，因此不同波长下所采集的显微图像的对比度通常具有显著差异。然而，由于生物样本组成成分的复杂性，仅利用单一波长下的显微成像通常难以实现较高的成像对比度，而复色光源通常光谱固定，亦难以作为高对比度显微成像的照明光源。因此，利用何种光源输出光谱的复色光源可实现高对比度成像，以及如何真正实现这种光源输出光谱的复色光源，是实现高对比度光学显微成像亟需解决的关键技术瓶颈。
发明内容
为实现高对比度的光学显微成像，本发明提供了一种高对比度编码显微成像系统及方法，利用光谱数据后处理方法计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，随后通过编码光源模块实现对应的光源输出光谱，最后通过在该编码光源照明下成像获得高对比度的编码显微图像。
本发明的具体方案为：一种高对比度编码显微成像系统，包括编码光源模块、显微成像模块及计算机；其中，编码光源模块包含白光光源、光纤、扩束镜、光栅、消色差透镜、数字微镜器件、透镜组和锥形光纤，用于输出编码光源；显微成像模块包含载物台、物镜、透镜及相机，用于采集编码显微图像；编码光源模块中所述的白光光源发出的白光经光纤和扩束镜后形成平行束，经光栅分光后由消色差透镜将相同波长的光汇聚在数字微镜器件的同一微镜单元上，经数字微镜器件反射后由透镜组和锥型光纤耦合成单束光；通过计算机控制数字微镜器件上各微镜单元的角度，用于输出指定波长的光形成编码光，并照射至样本上；显微成像模块中所述载物台上放置样本并由物镜成像，经透镜调整放大倍数后，由相机采集编码显微图像，并在计算机上显示。
上述编码光源模块中，利用锥形光纤将由透镜组汇聚的光进一步缩束并准直，用于提高照射到样本上的光照强度和均匀度；其中，锥形光纤的一端由多根光纤组成直径较粗的光纤束，用于尽可能的收集编码光；另一端为直径相对较细的单根光纤，用于实现高强度、均匀的照明；光纤束与单根光纤之间通过光锥连接，用于将光束缩束。
采用上述系统进行高对比度编码显微成像的方法，利用带有标签信息的高光谱数据和光谱数据后处理方法，通过一系列线性操作将光谱数据后处理方法变换为一个一维向量，进而获得可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件的编码矩阵，基于编码矩阵控制数字微镜器件输出可实现高对比度编码显微成像的编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种高对比度编码显微成像系统及方法，利用光谱数据后处理方法计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，随后通过高对比度编码显微成像系统中的编码光源模块实现对应的光源输出光谱，最后通过在该编码光源照明下获得编码显微图像，实现更高对比度的显微成像。
附图说明
图1是本发明一种高对比度编码显微成像系统的光路图；
图中：1白光光源；2光纤；3扩束器；4光栅；5消色差透镜；6数字微镜器件；7透镜组；8锥形光纤；9载物台；10物镜；11透镜；12相机；13计算机。
图2是实施例1利用一种高对比度编码显微成像系统，针对成骨细胞样本的编码显微成像结果；(a)是利用白光照明所采集的成骨细胞显微图像；(b)是用于获得高对比度显微图像的成像编码光源和补偿编码光源的光谱图；(c)是等效于编码光源照明下所采集的高对比度成骨细胞编码显微图像；(d)是白光照明下和编码光源照明下虚线所圈出区域中的细胞边界经归一化后的平均剖线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施做详细说明。
实施例1
根据图1所示光路搭建一种高对比度编码显微成像系统，包括编码光源模块和显微成像模块。在编码光源模块，选用氙灯作为白光光源1，发出的白光经光纤2和扩束镜3后形成平行束，经刻线密度为300线/毫米的光栅4分光后，由焦距为35mm的消色差透镜5将相同波长的光汇聚在DLP4500数字微镜器件6的同一微镜单元上，通过计算机13控制数字微镜器件6上各微镜单元的角度，编码的指定波长的光由焦距为30mm和22mm两个消色差透镜所组成透镜组7和锥型光纤8耦合成单束光，形成编码光源；其中，所选用的锥形光纤8，一端由多根芯径为100um的光纤组成直径为3mm的光纤束作为收光端，另一端为直径为1mm的单根光纤作为出光端，光纤束与单根光纤之间通过放大率为3/1的光锥连接。在显微成像模块，置于载物台9上样本经编码光源照射后，由50X物镜10成像，经焦距为30mm的透镜11调整放大倍数后，由sCMOS相机12采集编码显微图像，并在计算机13上显示。图中：锥形光纤的一端由多根光纤组成直径较粗的光纤束，另一端为直径相对较细的单根光纤，光纤束与单根光纤之间通过光锥连接。
基于带有细胞和背景标签信息的成骨细胞样本高光谱数据集，将主成分分析和线性判别算法经一系列线性操作后，计算获得可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件6的编码矩阵；随后，根据编码矩阵控制编码光源模块输出编码光源；最终，利用显微成像模块在该编码光源下采集高对比度成骨细胞编码显微图像。具体步骤如下：
步骤一、利用主成分分析获得变换向量U1。计算成骨细胞高光谱数据H的协方差矩阵D，并按特征值由大到小排列后，取其中前4个特征向量作为变换向量U1，并计算对应的特征值s。
步骤二、利用线性判别方法获得变换向量U2。基于步骤一中所获得的特征值s和标签矩阵Y，计算类内散度矩阵Min和类间散度矩阵Mout，则变换向量U2为Min的逆矩阵与Mout的乘积。
步骤三、计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件6的编码矩阵T＝U1U2。
步骤四、由于编码矩阵T中存在负值，而高对比度编码显微成像系统的编码光源模块仅能输入非负的编码矩阵进行控制，因此可将编码矩阵T可以分解为非负的成像编码矩阵T1和非负的补偿编码矩阵T2。其中，补偿编码矩阵T2中各元素值等于编码矩阵T中最小值的绝对值，且编码矩阵T、成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2满足T＝T1-T2。
步骤五、根据步骤四中的成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2，控制编码光源模块分别生成成像编码光源和补偿编码光源，如图2(b)所示。
步骤六、利用显微成像模块，分别获得成像编码光源照明下的成骨细胞显微图像I1和补偿编码光源照明下的成骨细胞显微图像I2。
步骤七、将成像编码光源照明下所采集的成骨细胞显微图像I1与补偿编码光源照明下所采集的成骨细胞显微图像I2相减，可等效于在编码光源照明下所采集的高对比度成骨细胞编码显微图像，如图2(c)所示。
通过与白光照明下所采集的成骨细胞显微图像对比可发现，白光照明下所采集的成骨细胞显微图像难以观测到成骨细胞(图2(a))，而编码光源下所采集的高对比度成骨细胞编码显微图像的成像可以很容易地观测到成骨细胞(图2(c))。根据图2(d)所示的细胞边界经归一化后的平均剖线图可计算出，对比于白光照明下所采集的成骨细胞显微图像，编码照明下所采集的成骨细胞编码显微图像的对比度提高了约59％。
实施例2
根据图1所示光路搭建一种高对比度编码显微成像系统，包括编码光源模块和显微成像模块。在编码光源模块，选用氙灯作为白光光源1，发出的白光经光纤2和扩束镜3后形成平行束，经刻线密度为300线/毫米的光栅4分光后，由焦距为35mm的消色差透镜5将相同波长的光汇聚在DLP4500数字微镜器件6的同一微镜单元上，通过计算机13控制数字微镜器件6上各微镜单元的角度，编码的指定波长的光由焦距为30mm和22mm两个消色差透镜所组成透镜组7和锥型光纤8耦合成单束光，形成编码光源；其中，所选用的锥形光纤8，一端由多根芯径为100um的光纤组成直径为3mm的光纤束作为收光端，另一端为直径为1mm的单根光纤作为出光端，光纤束与单根光纤之间通过放大率为3/1的光锥连接。在显微成像模块，置于载物台9上样本经编码光源照射后，由50X物镜10成像，经焦距为30mm的透镜11调整放大倍数后，由sCMOS相机12采集编码显微图像，并在计算机13上显示。图中：锥形光纤的一端由多根光纤组成直径较粗的光纤束，另一端为直径相对较细的单根光纤，光纤束与单根光纤之间通过光锥连接。
基于带有细胞和背景标签信息的成骨细胞样本高光谱数据集，将伪逆法经一系列线性操作后，计算获得可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件6的编码矩阵；随后，根据编码矩阵控制编码光源模块输出编码光源；最终，利用显微成像模块在该编码光源下采集高对比度成骨细胞编码显微图像。具体步骤如下：
步骤一、利用伪逆法，基于成骨细胞高光谱数据H和标签矩阵Y，计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件6的编码矩阵T，则编码矩阵T＝YHT(HHT)-1；
步骤二、由于编码矩阵T中存在负值，而高对比度编码显微成像系统的编码光源模块仅能输入非负的编码矩阵，因此可将编码矩阵T可以分解为非负的成像编码矩阵T1和非负的补偿编码矩阵T2。其中，补偿编码矩阵T2中各元素值等于编码矩阵T中最小值的绝对值，且编码矩阵T、成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2满足T＝T1-T2。
步骤三、根据步骤四中的成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2，控制编码光源模块分别生成成像编码光源和补偿编码光源。
步骤四、利用显微成像模块，分别获得成像编码光源照明下的成骨细胞显微图像I1和补偿编码光源照明下的成骨细胞显微图像I2。
步骤五、将成像编码光源照明下所采集的成骨细胞显微图像I1与补偿编码光源照明下所采集的成骨细胞显微图像I2相减，可等效于在编码光源照明下所采集的高对比度成骨细胞编码显微图像。

Claims (4)

1.一种高对比度编码显微成像方法，其特征在于，该方法基于一种高对比度编码显微成像系统实现，所述的高对比度编码显微成像系统包括编码光源模块、显微成像模块及计算机(13)；其中，编码光源模块包含白光光源(1)、光纤(2)、扩束镜(3)、光栅(4)、消色差透镜(5)、数字微镜器件(6)、透镜组(7)和锥形光纤(8)，用于输出编码光源；显微成像模块包含载物台(9)、物镜(10)、透镜(11)及相机(12)，用于采集编码显微图像；编码光源模块中所述的白光光源(1)发出的白光经光纤(2)和扩束镜(3)后形成平行束，经光栅(4)分光后由消色差透镜(5)将相同波长的光汇聚在数字微镜器件(6)的同一微镜单元上，经数字微镜器件(6)反射后由透镜组(7)和锥型光纤(8)耦合成单束光；通过计算机(13)控制数字微镜器件(6)上各微镜单元的角度，用于输出指定波长的光形成编码光，并照射至样本上；显微成像模块中所述载物台(9)上放置样本并由物镜(10)成像，经透镜(11)调整放大倍数后，由相机(12)采集编码显微图像，并在计算机(13)上显示；
所述的成像方法利用带有标签信息的高光谱数据和光谱数据后处理方法，通过一系列线性操作将光谱数据后处理方法变换为一个一维向量，进而获得可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件(6)的编码矩阵，基于编码矩阵控制编码光源模块输出可实现高对比度编码显微成像的编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像。
2.根据权利要求1所述的一种高对比度编码显微成像方法，其特征在于，编码光源模块中，利用锥形光纤(8)将由透镜组(7)汇聚的光进一步缩束并准直，用于提高照射到样本上的光照强度和均匀度；其中，锥形光纤的一端由多根光纤组成直径较粗的光纤束，用于尽可能的收集编码光；另一端为直径相对较细的单根光纤，用于实现高强度、均匀的照明；光纤束与单根光纤之间通过光锥连接，用于将光束缩束。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集编码光源照明下的高对比度编码显微图像的步骤如下：
步骤一、利用主成分分析获得变换向量U1；计算样品高光谱数据H的协方差矩阵D，按特征值由大到小排列后，取其中特定数量的前几个特征向量作为变换向量U1，并计算对应的特征值s；
步骤二、利用线性判别方法获得变换向量U2；基于步骤一中所获得的特征值s和标签矩阵Y，计算类内散度矩阵Min和类间散度矩阵Mout，则变换向量U2为Min的逆矩阵与Mout的乘积；
步骤三、计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件(6)的编码矩阵T＝U1U2；
步骤四、若编码矩阵T为非负，则利用编码光源模块直接生成成像编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像；若编码矩阵T中存在负值，则将编码矩阵T分解为非负的成像编码矩阵T1和非负的补偿编码矩阵T2；其中，补偿编码矩阵T2中各元素值等于编码矩阵T中最小值的绝对值，且编码矩阵T、成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2满足T＝T1-T2，继续执行步骤五；
步骤五、根据步骤四中的成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2，控制编码光源模块分别生成成像编码光源和补偿编码光源；
步骤六、利用显微成像模块，分别获得成像编码光源照明下的显微图像I1和补偿编码光源照明下的显微图像I2；
步骤七、将成像编码光源照明下所采集的样品显微图像I1与补偿编码光源照明下所采集的样品显微图像I2相减，可等效于在编码光源照明下所采集的高对比度样品编码显微图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采集编码光源照明下的高对比度编码显微图像的包括步骤如下：
步骤一、利用伪逆法，基于样品高光谱数据H和标签矩阵Y，计算可实现高对比度显微成像所需的波长位置以及该波长对于提高对比度的权重，生成用于控制数字微镜器件(6)的编码矩阵T，则编码矩阵T＝YHT(HHT)-1；
步骤二、若编码矩阵T为非负，则利用编码光源模块直接生成成像编码光源，利用显微成像模块采集该编码光源照明下的显微图像，即获得高对比度的编码显微图像；若编码矩阵T中存在负值，则将编码矩阵T分解为非负的成像编码矩阵T1和非负的补偿编码矩阵T2；其中，补偿编码矩阵T2中各元素值等于编码矩阵T中最小值的绝对值，且编码矩阵T、成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2满足T＝T1-T2，继续执行步骤三；
步骤三、根据步骤四中的成像编码矩阵T1及补偿编码矩阵T2，控制编码光源模块分别生成成像编码光源和补偿编码光源；
步骤四、利用显微成像模块，分别获得成像编码光源照明下的显微图像I1和补偿编码光源照明下的显微图像I2；
步骤五、将成像编码光源照明下所采集的样品显微图像I1与补偿编码光源照明下所采集的样品显微图像I2相减，可等效于在编码光源照明下所采集的高对比度样品编码显微图像。
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