CN117379007B - 一种3d光学成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生命科学和医学影像设备技术领域，尤其涉及一种3D光学成像系统及方法；其方法包括以下步骤：S1、通过CCD相机获取成像目标的二维生物光学图像；S2、通过S1步骤所述的CCD相机再结合结构光获取成像目标的三维表面轮廓图像；S3、将S1步骤得到的二维生物光学图像与S2步骤得到的三维表面轮廓图像进行配准；S4、重建得到三维生物光学图像；通过使用同一个CCD相机对成像目标获取二维生物光学图像和三维表面轮廓图像，再通过将二维生物光学图像和三维表面轮廓图像进行配准，使用不同光学属性的生物组织填充三维表面轮廓图像再结合配准后的数据即可得到三维生物光学图像，实现生物光学信号在生物体内的三维空间分布。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学和医学影像设备技术领域，尤其涉及一种3D光学成像系统及方法。
背景技术
生物光学成像由于其检测仪器发展成熟、灵敏度高、对比度高、分辨率高、成像直观、成像速度快和无损探测等优点被广泛应用。其在探寻疾病的发病机理、临床表现、基因病变，了解相应的生理学和病理学信息，疾病诊断和新的医疗手段的开发等方面具有重要的实践意义和应用前景。
生物光学成像是指利用光学的探测手段结合化学发光或激发荧光机制对分子、细胞、组织、生物体等进行成像，是一种获得生物学信息的重要方法。依据探测方式的不同，生物光学成像可分为分子荧光成像、生物发光成像、光声成像、光学断层层析成像等。
结构光成像通过投射特定的结构光（例如条纹、格子等）到拍摄对象表面上，然后利用相机记录下这些结构光在物体表面的形变情况，从而推算出物体表面的三维形状信息。结构光成像通常由三个主要部分组成：投影系统、相机和计算机处理系统。投影系统通常通过投射光栅或条纹图案来照射被测物体，这些光栅或条纹的形状和大小可以根据实际需要进行调整。相机用于记录被测物体表面的结构光图案，并将其转换成数字图像。相机的分辨率和采集速度对成像精度和实时性都有很大影响。计算机处理系统用于处理采集到的图像数据，并根据结构光形变信息来重建被测物体的三维形状。这个过程通常包括图像预处理、相机标定、三维重建和数据可视化等步骤。结构光成像技术具有非接触、高精度、高效率等优点，广泛应用于工业制造、医学影像、文物保护以及虚拟现实等领域。
目前的生物光学成像系统中利用生物光学成像可以对细胞或者组织甚至生物体进行成像，来获得其中的生物学信息，但是主要停留在二维表面成像，难以获得生物光学信号在生物体内部的三维分布。
因此，亟需提供一种3D光学成像系统及方法，相对于现有技术，实现生物光学信号在生物体内的三维空间分布。
发明内容
本发明解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种3D光学成像系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种3D光学成像方法，包括以下步骤：
S1、通过CCD相机获取成像目标的二维生物光学图像，所述二维生物光学图像采用生物发光图像或分子荧光图像；
S2、通过S1步骤所述的CCD相机再结合结构光获取成像目标的三维表面轮廓图像；
S3、将S1步骤得到的二维生物光学图像与S2步骤得到的三维表面轮廓图像进行配准；
S4、对获取的三维表面轮廓图像通过填充具有不同光学属性的生物组织得到三维实体结构，再结合基于S3步骤配准后得到的数据，三维重建出三维生物发光图像或三维分子荧光图像。
进一步地，S2具体包括以下步骤：
S201、开启投影仪，将调制好的条纹图案结构光投射到成像目标表面，使用CCD相机拍摄成像目标表面的条纹；
S202、将条纹进行处理，得到成像目标表面的相位分布图；
S203、得到几何标定后的相位-坐标关系，使用经过几何标定后得到的相位-坐标关系，将相位分布转换为三维坐标；
S204、调整成像支架与成像系统之间的角度，并重复S201-S203步骤；
S205、通过调整角度来获得成像目标的多角度三维坐标，从而得到成像目标的三维表面轮廓图像。
更进一步地，通过下述方法得到成像目标表面的相位分布图：每次拍摄的图像包含不同相位的条纹图像，通过对条纹图像进行代数运算和拼接操作，得到条纹的包裹相位分布，然后根据条纹的空间顺序信息，将包裹相位进行空间相位展开，得到成像目标表面的相位分布图。
更进一步地，相位-坐标关系的几何标定方法为：已知相位和CCD相机图像坐标，将CCD相机图像坐标通过相机参数转化为CCD相机坐标系三维坐标，再将CCD相机坐标系三维坐标根据投影仪与CCD相机的相对参数转化为投影仪坐标系三维坐标，再根据投影仪参数将投影仪坐标系三维坐标转化为投影仪图像坐标，根据相位与投影仪图像坐标一一对应关系，得到相位-坐标关系。
进一步地，分子荧光图像的获取方法为：开启激光源，激光源发出激光照射成像目标，激发成像物体携带的荧光分子，产生发射荧光；产生的发射荧光经过反射镜反射与滤波片之后，或，产生的发射荧光不经过反射，只经过滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像。
进一步地，生物发光图像的获取方法为：成像物体内部发生化学反应，释放出生物发光信号，发出的生物发光信号经过反射镜与滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像；或，产生的生物发光不经过反射，只经过滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像；或，产生的生物发光既不经过反射也不需要经过滤波片，直接被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像。
进一步地，S4步骤中所述的基于S3步骤配准后得到的数据包括二维生物光学图像上的每一点与三维表面轮廓图像上的点的对应关系和对应的光学信号强度。
一种3D光学成像系统，使用上述任一所述的一种3D光学成像方法，所述系统包括成像支架和成像系统，所述成像系统包括激光源和CCD相机，所述成像支架上固定成像目标，所述激光源和所述CCD相机分别设置在所述成像目标两侧；
所述成像目标一侧设有投影仪。
进一步地，所述成像目标与所述CCD相机之间设有反射镜，所述反射镜一侧设有投影仪。
进一步地，所述反射镜与所述CCD相机之间设有滤波片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过使用同一个CCD相机对成像目标获取二维生物光学图像和三维表面轮廓图像，再通过将二维生物光学图像和三维表面轮廓图像进行配准，使用不同光学属性的生物组织填充三维表面轮廓图像再结合配准后的数据即可得到三维生物光学图像，实现生物光学信号在生物体内的三维空间分布。
附图说明
图1是本发明系统的结构图。
图2是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种3D光学成像系统，包括成像支架和成像系统，成像系统包括激光源和CCD相机，成像支架采用载物台或成像床，成像支架用于固定成像目标，成像目标可沿垂直或水平方向固定在成像支架上；激光源和CCD相机分别设置在成像支架的两侧。
本实施例中激光源设置在成像目标的右侧，成像目标与CCD相机之间还设有反射镜（也可不设置反射镜直接使用CCD相机采集），沿激光源的照射方向依次设置激光源、成像目标和反射镜，反射镜上方设置CCD相机，CCD相机与反射镜之间设置滤波片。
反射镜一侧还设有投影仪；成像支架与成像系统之间的角度可进行旋转调节，且激光源和投影仪均对准成像支架上固定的成像目标，激光源和投影仪发出的光线照射在成像目标上，激光源激发的荧光和被成像物体反射的投影仪的发射光都经过反射镜反射后被CCD相机采集。
如图2所示，本发明还提供一种3D光学成像方法，包括以下步骤：
S1、获取成像目标的二维生物光学图像，二维生物光学图像包括生物发光图像和分子荧光图像两种模态，本步骤中获取生物发光图像、分子荧光图像中的一种即可。
具体地说，生物发光图像的获取方法为：利用成像物体内部发生化学反应，释放出生物发光信号，发出的生物发光信号经过反射镜与滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像；或，产生的生物发光不经过反射，只经过滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像；或，产生的生物发光既不经过反射也不需要经过滤波片，直接被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像。
成像物体内部的化学反应来自生物体内的酶促反应,是动物体内的自发荧光,催化此类反应的酶称为萤光素酶。常用方法是构建萤光素酶基因的表达载体转染目标细胞,并移植到受体的靶器官中,观察时注入外源萤光素,目标细胞内即可发生反应产生萤光,然后再利用高敏感度活体生物光学成像系统即可实现对靶细胞或靶分子表达的实时监测。
分子荧光图像的获取方法为：开启激光源，激光源发出激光照射成像目标，激发成像物体携带的荧光分子，产生发射荧光；产生的发射荧光经过反射镜反射与滤波片之后，或，产生的发射荧光不经过反射，只经过滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像。
S2、获取成像目标的三维表面轮廓图像：具体包括以下步骤：
S201、开启投影仪，将调制好的条纹图案结构光投射到成像目标表面，使用CCD相机拍摄成像目标表面的条纹；
S202、随后将条纹进行处理，每次拍摄的图像包含不同相位的条纹图像，通过对条纹图像进行代数运算和拼接操作，可得到条纹的包裹相位分布，然后根据条纹的空间顺序信息，将包裹相位进行空间相位展开，即得到成像目标表面的相位分布图；
S203、得到几何标定后的相位-坐标关系，使用经过几何标定后得到的相位-坐标关系，将相位分布转换为三维坐标；
相位-坐标关系获取的方法为：几何标定包括相机标定和投影仪标定以及联合标定，分别得到CCD相机和投影仪的内部参数和畸变参数以及二者的相对几何参数。相机参数、投影仪参数、相对几何参数，这三组参数构成了相位坐标关系。具体描述为，相位与投影仪图像坐标一一对应，投影仪图像坐标通过投影仪参数可以转换为投影仪坐标系三维坐标，投影仪坐标系三维坐标通过相对几何参数可转换为CCD相机坐标系三维坐标。同时，CCD相机拍摄的图像坐标通过相机参数可转换为CCD相机坐标系三维坐标。因此，已知相位和CCD相机图像坐标可以计算出CCD相机坐标系三维坐标，此即相位-坐标关系。
S204、调整成像支架与成像系统之间的角度，并重复S201-S203步骤；
S205、通过调整角度来获得成像目标的多角度三维坐标，从而得到成像目标的三维表面轮廓图像。
S3、将S1步骤得到的二维生物光学图像与S2步骤得到的三维表面轮廓图像进行配准，具体配准方法为：前面几何标定阶段已经得到了相机参数，使用相机参数可以将CCD相机图像坐标转换为CCD相机坐标系三维坐标，即使用相机参数将CCD相机图像（此处指二维生物发光图像）上每一点反投影到三维表面轮廓上，从而完成二维生物光学图像和三维表面轮廓图像的配准。
具体地说，由于二维生物光学图像和三维表面轮廓图像都是使用同一CCD相机拍摄得到的，所以配准基于CCD相机参数进行。
S4、重建三维生物光学图像：对获取的三维表面轮廓图像通过填充具有不同光学属性的生物组织得到三维实体结构，再加上基于S2步骤配准后得到的数据，即二维生物光学图像上的每一点与三维表面轮廓图像上的点的对应关系和对应的光学信号强度，即可三维重建出三维生物发光图像（BLT）或三维分子荧光图像（FMT）。
本发明通过同一CCD相机获取生物光学图像和三维表面轮廓图像，激光与结构光分别对成像目标进行光学成像操作，经过配准后重建可以生成成像目标的三维发光图像或三维分子荧光图像，可同时提供成像目标内部的分子光学信息与外部三维空间特征。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种3D光学成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过CCD相机获取成像目标的二维生物光学图像，所述二维生物光学图像采用生物发光图像或分子荧光图像；
S2、通过S1步骤所述的CCD相机再结合结构光获取成像目标的三维表面轮廓图像；具体包括以下步骤：
S201、开启投影仪，将调制好的条纹图案结构光投射到成像目标表面，使用CCD相机拍摄成像目标表面的条纹；
S202、将条纹进行处理，得到成像目标表面的相位分布图；
S203、得到几何标定后的相位-坐标关系，使用经过几何标定后得到的相位-坐标关系，将相位分布转换为三维坐标；
S204、调整成像支架与成像系统之间的角度，并重复S201-S203步骤；
S205、通过调整角度来获得成像目标的多角度三维坐标，从而得到成像目标的三维表面轮廓图像；
相位-坐标关系的几何标定方法为：已知相位和CCD相机图像坐标，将CCD相机图像坐标通过相机参数转化为CCD相机坐标系三维坐标，再将CCD相机坐标系三维坐标根据投影仪与CCD相机的相对参数转化为投影仪坐标系三维坐标，再根据投影仪参数将投影仪坐标系三维坐标转化为投影仪图像坐标，根据相位与投影仪图像坐标一一对应关系，得到相位-坐标关系；
S3、将S1步骤得到的二维生物光学图像与S2步骤得到的三维表面轮廓图像进行配准；
S4、对获取的三维表面轮廓图像通过填充具有不同光学属性的生物组织得到三维实体结构，再结合基于S3步骤配准后得到的数据，三维重建出三维生物发光图像或三维分子荧光图像；
S1步骤获取的成像目标的二维生物光学图像与S2步骤获取的成像目标的三维表面轮廓图像通过同一个CCD相机获取。
2.根据权利要求1所述的一种3D光学成像方法，其特征在于，通过下述方法得到成像目标表面的相位分布图：每次拍摄的图像包含不同相位的条纹图像，通过对条纹图像进行代数运算和拼接操作，得到条纹的包裹相位分布，然后根据条纹的空间顺序信息，将包裹相位进行空间相位展开，得到成像目标表面的相位分布图。
3.根据权利要求1所述的一种3D光学成像方法，其特征在于，分子荧光图像的获取方法为：开启激光源，激光源发出激光照射成像目标，激发成像物体携带的荧光分子，产生发射荧光；产生的发射荧光经过反射镜反射与滤波片之后，或，产生的发射荧光不经过反射，只经过滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像。
4.根据权利要求1所述的一种3D光学成像方法，其特征在于，生物发光图像的获取方法为：成像物体内部发生化学反应，释放出生物发光信号，发出的生物发光信号经过反射镜与滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像；或，产生的生物发光不经过反射，只经过滤波片之后，被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像；或，产生的生物发光既不经过反射也不需要经过滤波片，直接被CCD相机采集处理后获取二维生物光学图像。
5.根据权利要求1所述的一种3D光学成像方法，其特征在于，S4步骤中所述的基于S3步骤配准后得到的数据包括二维生物光学图像上的每一点与三维表面轮廓图像上的点的对应关系和对应的光学信号强度。
6.一种3D光学成像系统，其特征在于，使用权利要求1-5中任一项所述的一种3D光学成像方法，所述系统包括成像支架和成像系统，所述成像系统包括激光源和CCD相机，所述成像支架上固定成像目标，所述激光源和所述CCD相机分别设置在所述成像目标两侧；
所述成像目标一侧设有投影仪。
7.根据权利要求6所述的一种3D光学成像系统，其特征在于，所述成像目标与所述CCD相机之间设有反射镜，所述反射镜一侧设有投影仪。
8.根据权利要求7所述的一种3D光学成像系统，其特征在于，所述反射镜与所述CCD相机之间设有滤波片。
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