CN117571707A - 一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，所述方法包括通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合得到纤维取向的分析结果。本申请将若干张超分辨率强度图像和胶原样品的胶原纤维方向进行融合，得到纤维取向的超分辨解析，进而提高采集到胶原样品的内部结构和纤维取向信息的准确性。

Description

一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，特别涉及一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法及相关装置。

背景技术

胶原蛋白广泛存在于生物体内，是生物体中含量最丰富的蛋白质之一，其结构和含量的细微变化与诸多疾病的发生有紧密关系，例如癌症、自身免疫性疾病以及心血管疾病。由于胶原蛋白特殊的结构特性，它会在特定的功率激光照射下发出二次谐波信号，其强度、波长和偏振属性能提供分子的极化方向，进而反映出纤维的取向情况。

偏振二次谐波显微术(polarization second harmonic generationmicroscopy，PSHG)是一种通过提取分子极化方向来研究纤维取向的技术。然而，这种技术也有其固有的局限性。首先，它受到衍射极限的约束，其分辨率最高只能达到约200nm，这使得在利用胶原进行结构分析以及疾病诊断的过程中受到了一定的限制。虽然在荧光显微成像中已经有一些超分辨技术可突破这一限制，例如，受激发射损耗显微技术、单分子定位显微术，但是由于二次谐波产生过程没有涉及到实际能级的跃迁，导致这些技术不能直接应用于二次谐波偏振成像，影响了二次谐波偏振成像的分辨率提升，进而影响采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本申请要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法及相关装置。

为了解决上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法包括：

通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

根据上述技术手段，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张具有超分辨率的强度图像。超分辨率强度图像包含了胶原样品的微观结构信息，提升了对胶原样品的显微成像分辨率，提高了采集到的胶原样品内部结构的准确性。

然后根据所述超分辨率强度图像，确定胶原样品的胶原纤维方向，通过所述从得到的超分辨率强度图像中提取胶原样品内部纤维取向信息，将纤维取向信息也细化到超分辨率级别，得到与胶原实际微观结构相对应的纤维取向信息。

最后，将以上得到的若干张超分辨率强度图像和胶原样品的胶原纤维方向融合，得到纤维取向的超分辨解析结果，同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像具体包括：

控制显微成像系统按照预设的照明偏振角度集中的各偏振角度对胶原样品进行多焦点结构光照明的二次谐波偏振成像，以得到各偏振角度各自对应的若干原始数据；

基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像，以得到若干张超分辨率强度图像。

根据上述技术手段，通过获取超分辨率强度图像来解析和描述胶原样品的纤维取向，具体包括控制显微成像系统按照预设的照明偏振角度集进行多焦点结构光照明的二次谐波偏振成像，从而获取各个偏振角度对应的原始数据。再基于所述原始数据，确定出各个偏振角度对应的超分辨率强度图像，使得到的超分辨率强度图像不仅具有高分辨率的优点，也包含有胶原样品在不同偏振角度下的独特信息。上述步骤通过以照明偏振角度为参数，获取多角度的超分辨率强度图像，提高了胶原样品纤维取向信息的准确性。

在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像具体包括：

对于每个偏振角度对应的若干原始数据，对所述若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据；

对若干去噪原始数据的各去噪原始数据中的各信号点进行像素重定位，并将像素重定位后的若干去噪原始数据进行叠加，得到初始分辨率强度图像；

对所述初始分辨率强度图像进行解卷积处理，以得到超分辨率强度图像。

根据上述技术手段，去噪处理步骤用于提升后续图像处理的准确性，通过清除无用的噪声信号，获取到原始数据中的真实信息。而对各信号点进行像素重定位并对数据进行叠加提升了图像的分辨率，进而提升了图像的精度，将去噪后的原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍后再进行叠加，通过数据处理策略，得到分辨率相比衍射极限分辨率提高了约1.4倍的初始分辨率强度图像。最后，通过解卷积处理对初始分辨率强度图像进行处理将图像的分辨率进一步提升到相比衍射极限分辨率提高了约2倍的水平，使得得到的超分辨率强度图像能够包含准确的胶原样品内部结构信息。

在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述对若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据具体包括：

对若干原始数据中的每帧原始数据进行傅里叶变换，以得到第一数据；

对所述中间数据进行频域滤波以及傅里叶逆变换，以得到第二数据；

对所述第二数据进行图像开运算处理，得到每帧原始数据对应的去噪后原始数据，以得到若干去噪原始数据。

根据上述技术手段，提升了后续图像处理的准确性，通过清除无用的噪声信号，获取到原始数据中的真实信息。

在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述对原始数据中的各信号点进行像素重定位具体为：

将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，以得到像素重定位后的若干去噪原始数据。

根据上述技术手段，所述的将原始数据中的各信号点进行像素重定位，将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，提高了后续叠加图像的分辨率，叠加并进行解卷积处理后可生成具有超分辨率的强度图像，进而提高了胶原内部结构和纤维方向信息的分析能力。

在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向具体包括：

逐像素对若干张超分辨率强度图像中每个像素点对应的偏振调制信号进行最小二乘拟合，以得到每个像素的强度-角度分布曲线；

在每个像素的强度-角度分布曲线获取最大强度对应的角度信息，并基于所述角度信息确定每个像素点的胶原纤维方向，以得到胶原样品的胶原纤维方向。

根据上述技术手段，将纤维取向信息也细化到超分辨率级别，提高了纤维取向解析的准确度，得到与胶原实际微观结构相对应的纤维取向信息。

在一个实现方式中，所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其中，所述胶原样品的胶原纤维方向包括超分辨率强度图像中的每个像素点的胶原纤维方向；所述将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果具体包括：

将若干张超分辨率强度图像进行叠加，以得到超分辨率结构图像；

在超分辨率结构图像中的每个像素点上利用伪彩色编码显示该像素点的胶原纤维方向，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

根据上述技术手段，胶原样品的胶原纤维方向被定义为超分辨率强度图像中的每个像素点的胶原纤维方向，每一个像素点都被赋予独立的方向信息，从而将纤维取向信息也细化到超分辨率级别，更准确地体现胶原样品的纤维方向信息。此外，所述技术手段通过将若干张超分辨率强度图像进行叠加以得到超分辨率结构图像，再通过集成各个图像的强度信息，充分利用所有可用的数据，得到更为清晰和精确的图像，同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

本申请实施例第二方面提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置，其特征在于，所述基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置具体包括：

图像获取模块，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

方向确定模块，根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

融合分析模块，将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

本申请实施例第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任一所述的一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。

本申请实施例第四方面提供了一种终端设备，其包括：处理器和存储器；

所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上任一所述的一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。

有益效果：

1.与传统的偏振二次谐波显微术相比，通过获取到的超分辨率强度图像，突破了200nm的衍射极限分辨率限制，从而提高了图像的分辨率；

2.对超分辨率强度图像中的每个像素点进行了逐像素分析，通过最小二乘拟合得到强度-角度分布曲线，并在此基础上确定胶原纤维的方向，将所获取的胶原样品中的纤维取向信息也细化到超分辨率级别；

3.通过将超分辨率强度图像和胶原纤维方向进行融合，从而同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不符创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法的流程图。

图2为本申请提供的多焦点结构光超分辨二次谐波偏振显微成像系统示意图。

图3为本申请提供的基于各偏振角度各自对应的若干原始数据确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像流程示意图。

图4为本申请提供的超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合后得到的纤维取向超分辨解析效果图。

图5本申请提供的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置的结构原理图。

图6为本申请提供的终端设备的结构原理图。

具体实施方式

本申请提供一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法及相关装置，为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

应理解，本实施例中各步骤的序号和大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

发明人经过研究发现，胶原蛋白是生物体内含量丰富的蛋白质，其结构特性和变化与多种重大疾病如癌症、自身免疫性疾病和心血管疾病的发生和发展关系密切。由于胶原蛋白在受到一定功率的激光照射时能发出二次谐波信号，这使得研究者能通过分析该信号反映出的胶原纤维结构和形态变化，进而探寻疾病的机理，进行早期诊断和治疗。

偏振二次谐波显微术是一种常用来研究胶原纤维取向的方法，但由于受到衍射极限的影响，其分辨率只能达到约200nm。虽然超过200nm对于大部分应用而言已经足够，但对于更详细的胶原结构分析和深入的疾病诊断研究而言，如此的分辨率水平使应用受到一定的限制。

超分辨技术是克服衍射限制的主要手段。然而，由于二次谐波产生不涉及实际能级跃迁，信号由样品本身结构决定，这使得现有的多种超分辨方法，如受激发射损耗显微技术、单分子定位显微术等，都无法直接应用于二次谐波偏振成像。尽管多焦点结构光照明显微技术适用于二次谐波信号的探测，但其获取的图像仅包含强度信息，无法对纤维取向信息进行解析。

因此，技术研究的关键难点在于如何提出一种能够在高于衍射极限的分辨率水平上获得胶原样品内部特定信息(如胶原纤维方向等)的新方法，即基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，以精细地探寻胶原样品的内部结构情况，从而进一步加深对胶原蛋白组织疾病变化的理解，并为早期疾病诊断和治疗提供有力工具。

为了解决上述问题，在本申请实施例中，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合得到纤维取向的超分辨解析结果。本申请通过从不同偏振角度获取多焦点结构光照明数据，提供比二次谐波偏振成像更详尽的信息，从而确定胶原样品的胶原纤维方向，使得能够在超分辨率水平上进行胶原样品的内部结构和纤维取向分析，进一步深化了对胶原样品内部结构的理解，有助于提高其在疾病诊断和研究中的应用价值。

下面结合附图，通过对实施例的描述，对申请内容作进一步说明。

本实施例提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，如图1所示，所述方法包括：

S10、通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同。

具体地，显微成像系统可能包括空间光调制器、半波片、物镜、图像探测器等组件，用以生成多焦点照明结构光，并根据不同的偏振调制获取成像信号，在本申请的具体实现中，如附图2所示多焦点结构光超分辨二次谐波偏振显微成像系统，其包括激光光源1、半波片4、扩束准直透镜组2、空间光调制器3、二向色镜5、物镜6、滤光片7、成像透镜8、图像探测器9和反射镜若干(未示出)。激光光源1发射出的激光经过扩束准直透镜组2后传输至空间光调制器3；空间光调制器3调制相位后传输至半波片4进行偏振调制并传输至二向色镜5；二向色镜5调整照明光的照射路径，使偏振调制的激光经过物镜6并产生强度均一的照明点阵列11对胶原样品10进行照明；所述胶原样品10被照明后产生的二次谐波信号由物镜6收集，经二向色镜5和滤光片7过滤后传输至所述成像透镜8，由成像透镜8将点阵照明对应的二次谐波信号成像至图像探测器9的感光面完成图像采集。胶原样品通常指带有生物胶原蛋白纤维的组织样本，用以研究组织结构。此外，二次谐波偏振成像是一种依赖于非线性光学效应的成像技术，通过分析样品对于照明偏振光的二次谐波响应，获取样品内部结构的信息，特别是胶原纤维的取向。同时，超分辨率强度图像是通过一系列后处理步骤，如频域滤波、像素重定位、图像叠加和解卷积，获得的比传统显微成像技术可以提供的更高空间分辨率的图像。而偏振调制通过改变光波的偏振状态，使得相应的光波具有不同方向上的电场振幅值，用于控制光波与样品之间的相互作用。

上述步骤S10中，通过使用显微成像系统对胶原样品进行扫描：相应的激光光源发出的激光被空间光调制器调制相位后，经过偏振调节，由二向色镜引导至物镜，最终在胶原样品处产生一个强度均一的照明点阵列进行扫描；在获取用于重构出强度超分辨图像的多焦点结构光照明原始数据的基础上，通过改变半波片的旋转角度，对照明光的偏振角度进行调节，从而在不同的偏振角度下照明样品产生二次谐波响应；此时，胶原样品会对每个不同的偏振角度产生独特的二次谐波信号，这些信号被图像探测器采集并成像。通过改变偏振角度和记录对应的强度图像，得到一系列拥有不同偏振特性的多焦点结构光照明原始数据；每一个偏振角度对应的多焦点结构光照明原始数据被用于重构得到一张超分辨率强度图像；每一张超分辨率强度图像与其对应的偏振角度相关联：在进行了数次偏振调制和原始数据获取、超分辨率强度图像重构后，每一张图像都与一个特定的偏振角度相对应，实现了对样品在不同偏振状态下行为的超分辨率记录。

上述步骤实现了一种基于偏振调制的超分辨率成像技术，在微观尺度上记录胶原样品的结构信息。通过收集同一偏振角度下的多焦点结构光照明二次谐波信号原始数据，实现了超分辨率强度图像的获取，提高了成像分辨率。通过收集不同偏振角度下的多焦点结构光照明二次谐波信号原始数据，使得所述图像不仅具有高分辨率，而且还包含了样品对于不同偏振状态的响应，从而捕获到了更为丰富的样品结构信息，如胶原纤维的排列和取向。

在一个实现方式中，所述通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像具体包括：

S11、控制显微成像系统按照预设的照明偏振角度集中的各偏振角度对胶原样品进行二次谐波偏振成像，以得到各偏振角度各自对应的若干原始数据。

具体地，所述预设的照明偏振角度集是指一组事先确定的偏振角度，用于对样品进行二次谐波偏振成像。通过在这些特定的角度上进行成像，可以获取关于样品特性(如胶原纤维取向)的详细信息。二次谐波偏振成像是一种利用样品本身产生的二次谐波信号来获取图像的技术，对样品的偏振态非常敏感，使得成像结果能够反映样品的某些特定属性，如分子取向。而若干原始数据是指在成像系统中未经过处理的直接从成像设备如图像探测器所采集的对应多焦点结构光照明的数据。在本申请的具体现实中，每个偏振角度的原始数据包括对应多焦点结构光扫描时得到的图像序列。

在步骤S11中，首先初始化成像系统，确保激光光源、扩束准直透镜组、空间光调制器、半波片、二向色镜、物镜、滤光片、成像透镜、图像探测器和反射镜等关键组件能够正确联动工作，并校准相应的参数，以适应后续的特定成像条件。其次，设置预设照明偏振角度集，所述角度是根据二次谐波信号对偏振调制的强度响应，以及样品特性预先定义的，确保可以捕捉到样品的关键信息，一般为若干个具体的角度值，例如0度、20度、40度等。之后控制半波片旋转到预设的第一个偏振角度，并对样品进行照明：激光源发出激光，通过扩束准直透镜组传输至空间光调制器，空间光调制器调制相位并通过半波片进行偏振调制，随后照明光经过二向色镜和物镜形成强度均一的照明点阵列对样品进行照明。随后接收经样品产生的二次谐波信号，信号通过物镜、二向色镜和滤光片过滤后，传输至成像透镜，由图像探测器完成图像的采集。空间光调制器每加载一个相位分布，照明点阵列移动一次，图像探测器采集对应该照明点阵列的一帧原始图像，直到获得对应一个偏振角度的对应多焦点结构光扫描的原始图像序列。将半波片旋转至预设偏振角度集中的下一个偏振角度并重复以上步骤，重新对样品进行照明和采集图像数据，直至完成所有预设偏振角度下的数据采集。最后，存储采集到的每个偏振角度下的原始数据，以备后续的图像处理和分析，其中每一次改变偏振角度采集得到的原始数据是样品对特定偏振角度下照明光产生的二次谐波信号的直接测量结果。

通过上述步骤，在设定的一系列偏振角度下有效地收集胶原样品产生的多焦点结构光照明二次谐波偏振成像数据，使得可以在后续的数据处理中通过像素重定位和解卷积处理从每个偏振角度对应的原始数据获得超分辨率强度图像，使成像分辨率相比传统方法在理论上提高至两倍，又可以利用二次谐波偏振成像的角度响应特性，利用不同偏振角度对应的超分辨率强度图像，通过最小二乘拟合获取单像素对应的胶原纤维方向，实现对胶原纤维取向的精确分析。此外，提出的超分辨强度与偏振信息的融合可视化方法能够同时将强度信息和取向信息展示于单一图像中，为理解和描述胶原结构提供了更为丰富的信息内容，使得对胶原纤维取向的解析结果具有更高的准确性和可靠性。

S12、基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像，以得到若干张超分辨率强度图像。

具体地，如附图3所示，所述偏振角度指的是照明光偏振方向相对于某一参考坐标轴的角度，而在本申请的具体实现中，偏振角度由半波片进行调制，不同的偏振角度会使样品产生不同的二次谐波信号响应。所述各偏振角度各自对应的若干原始数据是指通过设定多个偏振角度条件下，每个条件对应采集得到的一组二次谐波信号原始数据。所述若干张超分辨率强度图像是指通过对原始二次谐波信号原始数据进行傅里叶频域滤波、像素重定位、点阵叠加和解卷积等处理步骤后获得的分辨率高于传统衍射受限光学成像分辨率的图像，在本申请的具体实现中使用频域滤波提高了原始数据的图像信噪比，使用像素重定位将图像分辨率提高至约1.4倍，再使用解卷积处理，进一步改善由系统的点扩散函数导致的图像模糊，进而获得分辨率提高2倍的图像。

通过上述步骤，提取样品微观结构信息，具体地，通过对每个偏振角度对应的若干原始数据进行处理获得更高分辨率的强度图像，从而能够提供丰富的样品结构细节，提供了更完整和精确的材料结构表征。

在一个实现方式中，基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像具体包括：

S121、对于每个偏振角度对应的若干原始数据，对所述若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据。

具体地，在收集到对应同一个偏振角度的原始数据中，对每帧由不同照明点阵产生的原始图像数据进行降低噪声信号的处理，以改善图像质量。去噪处理将降低图像中的背景噪声以及其它非目标信号的干扰，使得图像中的有用信号更加清晰，有利于后续的图像分析和特征提取。所述去噪处理可以包括但不限于使用频域过滤器来消除特定频率的噪声、利用数学形态学的开运算处理来去除噪点、或其他图像处理技术，提升图像数据质量，以便进行有效的信号提取和分析。

在一个实现方式中，所述对若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据具体包括：

S1211、对若干原始数据中的每帧原始数据进行傅里叶变换，以得到第一数据；

S1212、对所述第一数据进行频域滤波以及傅里叶逆变换，以得到第二数据；

S1213、对所述第二数据进行图像开运算处理，以得到每帧原始数据对应的去噪后原始数据，以得到若干去噪原始数据。

具体地，如附图3所示，所述步骤S1211-S1213包括对原始数据的傅里叶变换、频域滤波、傅里叶逆变换和图像开运算处理。傅里叶变换是将图像从空间域变换到频域进行分析和处理。频域滤波作用是在频率域内对信号进行滤波，移除噪声或者特定的频率成分。傅里叶逆变换将滤波后的数据从频域转回到空间域。图像开运算是形态学的一种操作，用来去除小的对象，同时保持较大目标物体的形状。

在本申请的具体实现中，对于步骤S1211，在每一个偏振角度处使用多焦点结构光超分辨二次谐波偏振显微成像系统进行成像后得到如附图3所示m张点阵扫描原始数据，对原始数据进行傅里叶变换以便在频谱进行滤波；对于步骤S1212，则将步骤S1211中滤波完成后的原始数据进行傅里叶逆变将图像转回空间域，此时图像中的背景信号以及离焦信号被滤除；在步骤S1213中，对步骤S1212中处理完成的数据进行图像开运算处理，对滤波未能完全滤除的孤立像素进行去除，并加强二次谐波信号。

S122、对若干去噪原始数据的各去噪原始数据中的各信号点进行像素重定位，并将像素重定位后的若干去噪原始数据进行叠加，得到初始分辨率强度图像。

具体地，对各信号点进行像素重定位是将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，以补偿由于图像探测器的像素位置与照明焦点的不一致导致的像素偏置。紧接着，通过叠加像素重定位后的去噪原始数据，可将图像分辨率提高至传统光学成像分辨率的约1.4倍。在本申请的具体实现中，对各信号点进行像素重定位，并将像素重定位后的若干去噪原始数据进行叠加，得到初始分辨率强度图像。

在一个实现方式中，所述对原始数据中的各信号点进行像素重定位，并将像素重定位后的若干去噪原始数据进行叠加，得到初始分辨率强度图像具体为：

S1221、将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，以得到像素重定位后的若干去噪原始数据。

通过上述步骤S121-S122中去噪、像素重定位和叠加步骤的应用，提升了传统显微成像技术的分辨率，对样品如胶原纤维的结构进行了精细的成像。所述步骤不仅包括了数字图像处理方面，也涉及了物理的光学成像对应过程，也如应用傅里叶变换进行频域滤波以及开运算滤除噪声的工作，并依托像素重定位以及叠加来进一步提升图像质量，最终实现了在图像分辨率上获得约1.4倍的提升。

S123、对所述初始分辨率强度图像进行解卷积处理，以得到超分辨率强度图像。

具体地，如附图3所示，所述的解卷积处理意指对S122步骤得到的初始分辨率图像进行解卷积操作，以进一步提高成像的分辨率。解卷积是一种数学运算，它与卷积运算是相反的过程，目的是从卷积后的结果中恢复出原始的信号。在成像系统中，由于系统的点扩散函数所导致的图像模糊现象可以通过解卷积进行补偿，从而获取更为清晰且具有高分辨率的图像。解卷积处理不仅能够提高图像的分辨率，还能够增强图像的对比度，揭示更多的细节信息。在本申请的具体实现中，解卷积时采用的点扩散函数为依据多焦点结构光照明显微成像原理计算得到的等效点扩散函数，对应于像素重定位和叠加处理后的图像中的模糊现象。

S20、根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向。

具体地，胶原纤维方向表示样品中胶原纤维的空间排列和取向，用于了解纤维的结构和功能。

在一个实现方式中，所述根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向具体包括：

S21、逐像素对若干张超分辨率强度图像中每个像素点对应的偏振调制信号进行最小二乘拟合，以得到每个像素的强度-角度分布曲线；

S22、在每个像素的强度-角度分布曲线获取最大强度对应的角度信息，并基于所述角度信息确定每个像素点的胶原纤维方向，以得到胶原样品的胶原纤维方向。

具体地，在步骤S21中的最小二乘拟合是一种数学优化技术，用于确定一组未知参数的最优估计，该经验数据基于最小化误差或残差的总和。当照明光的偏振方向恰好与胶原纤维方向一致时，样品的二次谐波信号响应将取得最大值，因此对每个像素的强度-角度分布曲线进行多项式的最小二乘拟合可获得最大强度对应的角度信息，该角度即为该像素点对应的胶原纤维方向。在本申请的具体实现中，最小二乘拟合应用于确定偏振调制信号与理论模型之间的最佳拟合曲线，从而精确计算每个像素的胶原纤维方向；而强度-角度分布曲线表示的是强度图像中某个像素的亮度值随偏振角度变化而变化的关系。这条曲线展示了胶原纤维的二次谐波信号响应随照明偏振角度变化的分布。

在步骤S22中，胶原纤维方向指的是在二维平面上，胶原纤维相对于参考坐标系的方向。每个像素点的胶原纤维方向由该像素的偏振调制信号确定。在本申请的具体实现中，找到强度-角度分布曲线上强度最大值对应的角度信息。此外，本申请还提出了提出一种胶原纤维方向的可视化方法，在强度图像的基础上利用伪彩色编码对方向角进行描述(如附图4所示)，增加了超分辨率图像显示的信息量，实现对胶原纤维取向更直观的描述。

上述步骤S20-S22通过所述计算和可视化步骤，在超分辨率强度图像上以像素为单位精细地提取出胶原纤维的取向信息，实现了对样品中胶原纤维取向的高精度表征。利用偏振成像技术，每个像素点可以反映出其拍摄区域内胶原纤维的空间取向以及排列特性，但每个像素点的胶原纤维方向是对样品内单个胶原分子排列方向的统计平均。在本申请的具体实现中，胶原纤维方向是从超分辨率强度图像中通过逐像素的最小二乘拟合获得的，因此纤维取向信息的获取也被细化到了超分辨率级别，更准确地体现了胶原样品的纤维方向信息。

S30、将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

在一个实现方式中，所述胶原样品的胶原纤维方向包括超分辨率强度图像中的每个像素点对应的胶原纤维方向。具体地，在通过步骤S10获得的超分辨率强度图像中，每个像素点均对应着其拍摄区域的胶原纤维方向信息，所述方向信息是通过步骤S20获得的，即利用偏振调制来解析胶原纤维的取向。超分辨率强度图像与同样具有超分辨率的胶原纤维取向信息的融合增强了该成像技术的能力，为生物组织的微观结构提供了更完整的视图。通过所述融合，除了获取超高分辨率的图像外，还能对胶原纤维的方向进行精确描述，同时提高了采集到的胶原样品内部结构和纤维取向信息的准确性。至关重要的是，这些信息能非侵入性地获得，对在活体条件下研究生物组织的结构和功能具有重要意义。

所述将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果具体包括：

S31、将若干张超分辨率强度图像进行叠加，以得到超分辨率结构图像；

S32、在超分辨率结构图像中的每个像素点上利用伪彩色编码显示该像素点的胶原纤维方向，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

具体地，如附图4所示，在步骤S31中，叠加过程涉及将步骤S10获得的多张超分辨率强度图像的相应像素直接相加，以抵消因采用特定角度的偏振光照明产生的二次谐波信号响应在垂直偏振角度方向的结构上出现的缺失，同时减少或消除单一图像所固有的伪影和噪声，从而获得能够准确反映样品微观结构信息的高质量超分辨率结构图像。

在步骤S32中，通过将步骤S20-S22中获得的对应像素的胶原纤维方向信息用伪彩色编码的方式显示在超分辨率结构图像的每个像素点上，以直观地显示每个像素点对应的胶原纤维方向。这样，最终的融合图像不仅展示了胶原样品的微观结构，还以可识别的形式展示了胶原纤维的空间排列方向。上述步骤在提供纤维结构细节的超分辨率图像上增加纤维的方向信息，这对于理解生物组织的结构功能关系、疾病诊断和其他生物医学应用具有重要意义。通过这种强度与方向信息的融合，可以对胶原样品进行更全面而精确的分析。

综上所述，本实施例提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法。本方法首先通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，每张图像的照明偏振角度互不相同。然后，根据所述若干张超分辨率强度图像，确定胶原样品的胶原纤维方向。最后，将若干张超分辨率强度图像和胶原样品的胶原纤维方向进行融合，从而得到纤维取向的超分辨解析结果。

本方法的关键在于首先通过针对胶原样品进行二次谐波偏振成像，然后基于在不同偏振角度下得到的多焦点结构光照明二次谐波原始图像，经过去噪、像素重定位、叠加和解卷积等一系列精细操作，生成具有超分辨率特性的超分辨强度图像。所述过程使得需要进行分析的胶原样品得到了更为精细的表现。紧接着，通过逐像素的强度-角度分布曲线拟合，得到了每个像素点的胶原纤维方向，进一步丰富了样品的特征信息。最后，将这些强度图像和胶原纤维方向信息进行融合，得到了具有详尽信息的纤维取向超分辨解析结果。

通过上述的技术方案，明显提升了偏振二次谐波成像在提取胶原纤维方向信息方面的性能，再结合对超分辨率图像的生成，不仅可以突破传统方法的衍射极限，获取更精细的胶原样品内部结构信息，而且可以精确地解析纤维的取向，从而更全面、详尽地了解胶原样品的内部结构及其可能的疾病变化，提升了对生物体内胶原蛋白相关疾病的诊断和研究能力。

基于上述一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，本实施例提供了一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置，如图5所示，所述装置包括：

图像获取模块100，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

方向确定模块200，根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

融合分析模块300，将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

基于上述一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上述实施例所述的一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。

基于上述一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，本申请还提供了一种终端设备，如图6所示，其包括至少一个处理器(processor)20；显示屏21；以及存储器(memory)22，还可以包括通信接口(Communications Interface)23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。

此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器20通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。

存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。

此外，上述存储介质以及终端设备中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，所述基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法包括：

通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

2.根据权利要求1所述的二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，所述通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像具体包括：

控制显微成像系统按照预设的照明偏振角度集中的各偏振角度对胶原样品进行多焦点结构光照明的二次谐波偏振成像，以得到各偏振角度各自对应的若干原始数据；

基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像，以得到若干张超分辨率强度图像。

3.根据权利要求2所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，基于各偏振角度各自对应的若干原始数据，确定各偏振角度各自对应的超分辨率强度图像具体包括：

对于每个偏振角度对应的若干原始数据，对所述若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据；

对若干去噪原始数据的各去噪原始数据中的各信号点进行像素重定位，并将像素重定位后的若干去噪原始数据进行叠加，得到初始分辨率强度图像；

对所述初始分辨率强度图像进行解卷积处理，以得到超分辨率强度图像。

4.根据权利要求3所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，所述对若干原始数据中的每帧原始数据进行去噪处理，以得到若干去噪原始数据具体包括：

对若干原始数据中的每帧原始数据进行傅里叶变换，以得到第一数据；

对所述第一数据进行频域滤波以及傅里叶逆变换，以得到第二数据；

对所述第二数据进行图像开运算处理，得到每帧原始数据对应的去噪后原始数据，以得到若干去噪原始数据。

5.根据权利要求3所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，所述对原始数据中的各信号点进行像素重定位具体为：

将原始数据中的各信号点进行移动，使各信号点在保持自身尺寸不变的前提下，两两之间的距离变为原来的两倍，以得到像素重定位之后的数据。

6.根据权利要求1所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，所述根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向具体包括：

逐像素对若干张超分辨率强度图像中每个像素点对应的偏振调制信号进行最小二乘拟合，以得到每个像素的强度-角度分布曲线；

在每个像素的强度-角度分布曲线获取最大强度对应的角度信息，并基于所述角度信息确定每个像素点的胶原纤维方向，以得到胶原样品的胶原纤维方向。

7.根据权利要求1所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法，其特征在于，所述胶原样品的胶原纤维方向包括超分辨率强度图像中的每个像素点的胶原纤维方向；所述将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果具体包括：

将若干张超分辨率强度图像进行叠加，以得到超分辨率结构图像；

在超分辨率结构图像中的每个像素点上利用伪彩色编码显示该像素点的胶原纤维方向，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

8.一种基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置，其特征在于，所述基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析装置具体包括：

图像获取模块，通过显微成像系统对胶原样品进行二次谐波偏振成像，得到若干张超分辨率强度图像，其中，若干张超分辨率强度图像中的各张超分辨率强度图像对应的照明偏振角度互不相同；

方向确定模块，根据若干张超分辨率强度图像，确定所述胶原样品的胶原纤维方向；

融合分析模块，将若干张超分辨率强度图像和所述胶原样品的胶原纤维方向进行融合，以得到纤维取向的超分辨解析结果。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7任意一项所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。

10.一种终端设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；

所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-7任意一项所述的基于二次谐波偏振成像的纤维取向超分辨解析方法中的步骤。