DE102019203448A1 - Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten in scannend erfassten Bildern einer Probe, bei dem Intensitätswerte mindestens zweier als Pixel (Px_n) bezeichnete Detektionsbereiche entlang je einer Zeile (j) in einer ersten Scanrichtung erfasst werden. Anhand der erfassten Intensitätswerte wird ein rekonstruiertes Bild erzeugt.
Erfindungsgemäß werden die Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes entlang der jeweils durch ein bestimmtes Pixel (Px_n) abgetasteten Zeilen (j) summiert und es wird je eine Zeilensumme gebildet. Anhand der so gebildeten Zeilensummen wird ein Korrekturwert des Pixels (Px_n) ermittelt und der Korrekturwert wird auf die mittels des Pixels (Px_n) erfassten Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes angewendet wird, wodurch ein korrigiertes Bild erhalten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
• Die bereichs- oder zeilenweise Aufnahme eines Bildes mittels mehrerer Detektoren und das möglichst fehlerfreie Zusammensetzen der erfassten Bilddaten zu einem qualitativ hochwertigen rekonstruierten Bild stellt hohe technische Anforderungen sowohl an die eingesetzte Bildaufnahmetechnik als auch an die rechentechnische Aufarbeitung der Vielzahl von Bilddaten der einzelnen Detektoren.
• Zur scannenden Erfassung von Bilddaten wird ein abzubildendes Objekt, beispielsweise eine Probe, mit einer punktförmigen, linienförmigen oder elliptischen Laserbeleuchtung periodisch und mit gleichem Abstand zwischen den jeweiligen Scanzeilen abgerastert. Die einzelnen Detektoren erfassen dabei typischerweise Bilddaten von einander nicht oder nicht vollständig überlappenden Bereichen der abzubildenden Probe. Allerdings weist das rekonstruierte Bild nicht selten sichtbare Artefakte auf, die unter anderem eine Folge der Bildrekonstruktion aus der Vielzahl einzelner Bilddaten sind.
• Üblicherweise wird die Probe zeilenweise abgerastert. Erfolgt der Scan- oder Rastervorgang mit mindestens zwei zueinander versetzt angeordneten Detektoren in mindestens zwei Zeilen gleichzeitig, wird auch von parallelisierten Verfahren gesprochen. Dabei ist der Zeilenabstand zwischen Zeilen, die mit einem bestimmten Detektor erfasst werden, meist ein Vielfaches des Zeilenabstands eines klassischen Einzelpunktscanners, beispielsweise eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops. Oft entstehen bei einem solchen parallelisierten Verfahren im rekonstruierten Bild Streifen zwischen den Zeilen in der Zeilenrichtung.
• Werden Bilddaten in unterschiedlichen Fokusebenen erfasst und ein sogenannter Z-Stapel (z-stack) gebildet, können die Streifenmuster in den verschiedenen Z-Ebenen ebenfalls voneinander verschieden sein. Dabei können selbst mit jeweils demselben Detektor erfasste Zeilen eine Streifenbildung aufweisen.
• Die Sichtbarkeit von Bildartefakten, insbesondere solcher Streifen, kann nachteilig durch weitere Schritte der Bildverarbeitung zusätzlich verstärkt werden. Beispielsweise kann dies im Zuge einer Korrektur des bandbegrenzten Abtastvorgangs durch eine Entfaltung unter Nutzung des Abtastfrequenzgangs (engl.: deconvolution) oder durch Wirkung von Schärfungsfiltern auftreten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Möglichkeit zur Reduzierung von Bildartefakten vorzuschlagen.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Das Verfahren dient zur Reduzierung von Bildartefakten in scannend erfassten Bildern einer Probe. Dabei werden Intensitätswerte mindestens zweier, insbesondere punktförmiger oder elliptischer, Detektionsbereiche (fortan auch als Pixel bezeichnet) entlang je einer Zeile in einer ersten Scanrichtung erfasst. Anhand der erfassten Bilddaten wird ein rekonstruiertes Bild erzeugt. Jedes Pixel ist jeweils einem Detektor zugeordnet, mittels dem die Bilddaten erfasst werden. Im Folgenden werden die Begriffe Pixel und Detektor zum Zwecke der Vereinfachung gleichbedeutend verwendet, falls nicht ausdrücklich auf eine Unterscheidung abgehoben wird.
• Erfindungsgemäß ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätswerte (Bilddaten) eines rekonstruierten Bildes entlang der jeweils durch dieses Pixel abgetasteten Zeilen summiert werden und je eine Zeilensumme gebildet wird. Die Rekonstruktion erfolgt beispielsweise durch eine Entfaltung der erfassten Bilddaten unter Nutzung einer Punktbildübertragungsfunktion (point spread function; PSF) beziehungsweise eines Abtastfrequenzgangs in bekannter Weise. Für jedes Pixel beziehungsweise für jeden Detektor wird also eine Anzahl von Zeilensummen berechnet.
• Diese pixelspezifischen Zeilensummen sind Grundlage für die Ermittlung eines Korrekturwerts des jeweiligen Pixels. Der Korrekturwert wird auf die mittels des Pixels erfassten Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes angewendet. Beispielsweise werden die Intensitätswerte mit dem Korrekturwert oder seinem Kehrwert multipliziert. Im Ergebnis der Anwendung des Korrekturwerts wird ein korrigiertes Bild erhalten.
• Der Korrekturwert kann in einer einfach umzusetzenden Ausgestaltung des Verfahrens als ein Mittelwert aller Zeilensummen der mittels eines spezifischen Pixels abgetasteten Zeilen (parallelisierte Zeilen) gebildet werden. Der Mittelwert wird vorteilhaft über die parallelisierten Zeilen normiert.
• Es kann in einer weiteren Ausgestaltung ein Kehrwert des Korrekturwerts gebildet und dieser dann als ein Korrekturfaktor zu den rekonstruierten Bilddaten der mittels des Pixels abgetasteten Zeilen multipliziert werden.
• In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach einer Erfassung von Zeilen Intensitätswerte je einer weiteren Zeile abgetastet, wobei die Erfassung in einer zur ersten Scanrichtung im Wesentlichen orthogonalen Richtung jeweils um eine Anzahl (Parallelisierungsfaktor P) Zeilen verschoben erfolgt.
• Eine solche Verschiebung wird beispielsweise bei der Verwendung von miteinander verbundenen Detektoren ausgeführt. So kann eine Anzahl von Detektoren in einem Array angeordnet sein. Die Detektoren und somit die zugehörigen Pixelweisen daher eine feste Lagebeziehung zueinander und zu den jeweils erfassten Zeilen auf. Beispielsweise sind Airyscan-Detektoren (z. B. Huff, J. et al. 2015; The Airy detector from ZEISS - Confocal imaging with improved signal-to-noise ratio and superresolution; Technology Note EN_41_013_102; Carl Zeiss Microscopy GmbH) üblicherweise in dieser Weise aufgebaut.
• Das Abrastern oder Abtasten der Zeilen kann bidirektional in Sequenzen je eines Hinscans und eines Rückscans erfolgen. Dabei wird vorteilhaft die jeweilige Auslenkung einer Scanoptik nach einer Scanbewegung als Ausgangsposition für eine weitere Scanbewegung genutzt. Dem zeitlichen Vorteil steht eine möglicherweise beim Hinscan und Rückscan unterschiedliche Position gegenüber.
• In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Abtasten immer nur in einer Richtung, also unidirektional. Die Scanfehler sind in einer Scanrichtung gleich und daher weniger sichtbar.
• Die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen sind auf Bilddaten anwendbar, die in einer Objektebene (X-/Y-Ebene) erfasst wurden. Die Objektebene erstreckt sich dabei im Wesentlichen orthogonal zu einer in Z-Achse (Z-Richtung) verlaufenden optischen Achse der Detektoren. In Z-Richtung können verschiedene Objektebenen abgerastert und jeweils deren Bilddaten erfasst und gespeichert werden (Z-Stapel).
• Um auch solche Z-Stapel einer Reduzierung von Bildartefakten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unterziehen zu können, wird in einer Ausgestaltung auf mindestens zwei in einer Z-Richtung hintereinander liegende korrigierte Bilder eine Maximum-Intensitäts-Projektion (MIP) angewendet und ein MIP-Bild mit einer Ausdehnung in Richtung der X- und Y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems erzeugt. Auf das so erhaltene MIP-Bild werden erneut die Schritte der Bildung von Zeilensummen und der Ermittlung des Korrekturwerts angewendet.
• Der Korrekturwert wird auf die einzelnen korrigierten Bilder des Z-Stapels angewendet. In dieser Ausgestaltung ist daher die Reduzierung der Bildartefakte innerhalb der Bilder der einzelnen Z-Ebenen mit einer nachfolgenden Reduzierung von Bildartefakten des Z-Stapels kombiniert. Jedes rekonstruierte Bild erfährt dabei eine zweifache Korrektur.
• In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens können Maximalwerte, Mittelwerte und/oder Mediane anderer Dimensionen als die entlang der Z-Richtung als Grundlage zur Erzeugung eines MIP-Bildes genutzt werden. Beispielsweise kann eine Objektebene zu unterschiedlichen Zeitpunkten nacheinander erfasst werden. Die dabei jeweils erfassten Bilddaten werden statt der einzelnen Z-Ebenen eines Z-Stapels als Datengrundlage einer MIP verwendet. Entsprechend kann ein MIP-Bild erzeugt werden, indem Bilddaten wenigstens einer Objektebene mit mehreren Detektionskanälen, beispielsweise mit Kanälen unterschiedlicher Detektionswellenlänge, erfasst und als Grundlage für die Ausführung einer MIP verwendet werden.
• Es ist auch möglich, dass Bilddaten einer Probe an mehreren Orten (Positionen) und/oder Aufnahmewinkeln erfasst werden. Anhand dieser Bilddaten kann ebenfalls eine MIP ausgeführt und anhand eines erhaltenen MIP-Bildes können Korrekturwerte ermittelt werden, mittels denen rekonstruierte Bilddaten in korrigierte Bilddaten überführt werden können.
• Ferner sind Kombinationen von Bilddaten möglich, die entlang unterschiedlicher Dimensionen erfasst wurden. Beispielsweise kann ein Z-Stapel mit einer Zeitserie (Dimension Zeit) kombiniert werden. So kann über alle Z-Ebenen und von allen oder einem Teil der Zeitpunkte jeweils im Zuge einer MIP ein Maximum ermittelt und ein Korrekturwert berechnet werden. Dieser wird dann auf die korrigierten Bilder der Auswahl, also der betreffenden Z-Ebenen und Zeitpunkte angewendet.
• Im Sinne der Reduzierung von Rechenschritten und der erforderlichen Rechenkapazität können in weiteren Ausgestaltungen die Korrekturwerte ermittelt und auf eine Anzahl oder auf alle nachfolgend rekonstruierten Bilder angewendet werden. Ist anzunehmen, dass über die Zeit ein Driftausgleich der Korrekturwerte erforderlich ist, können die Korrekturwerte nach einer vorgegebenen Zeit oder nach einer vorgegebenen Anzahl von Verwendungen erneut ermittelt werden.
• Es ist ferner möglich, dass in den beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens der Wertebereich der Korrekturwerte begrenzt wird. Eine solche Begrenzung ist besonders dann von Vorteil, wenn die Intensitätswerte sehr ungleichmäßig über das Bild verteilt sind und beispielsweise lediglich lokal Bereiche (spots) sehr hoher Intensitäten erfasst werden, die von großen Abschnitten sehr geringer Intensitäten umgeben sind. Die Begrenzung kann erfolgen, indem zulässige Maximalwerte und/oder zulässige Minimalwerte vorgegeben werden. Es ist auch möglich, dass die Korrekturwerte mit einer Funktion zum Beschränken der Korrekturwerte begrenzt werden. Beispielsweise werden die Korrekturwerte mit einer solchen Funktion multipliziert.
• Eine Beschränkung der Korrekturwerte kann in weiteren Ausgestaltungen auch unter Verwendung von Simulationen erfolgen. So können die zulässigen Maximalwerte und/oder die zulässigen Minimalwerte aber auch die Funktion zum Beschränken anhand einer Simulationsrechnung (Simulation) angepasst werden. Ein solches Vorgehen erhöht die Flexibilität des Verfahrens und erlaubt eine dynamische Anpassung der Begrenzungen.
• Das Verfahren kann außerdem so ausgestaltet sein, dass eine Korrekturfunktion verwendet wird, um unter Nutzung der ermittelten Korrekturwerte abgeleitete Korrekturwerte zu bilden. Hierbei erfolgt die Korrektur der rekonstruierten Bilddaten nicht direkt, sondern mittels einer angepassten Korrekturfunktion. An die ermittelten Korrekturwerte werden die Parameter einer Korrekturfunktion auf eine gute Übereinstimmung mit den Korrekturwerten hin angepasst. Alternativ werden die Parameter der Korrekturfunktion mittels Rekursion direkt berechnet. Mit den ermittelten Parametern und der Korrekturfunktion werden abgeleitete Korrekturwerte berechnet und die Korrektur durchgeführt.
• Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in einer Reduzierung von Streifen in Bildern, die scannend aufgenommen wurden. Es können Bildartefakte verringert werden, die aufgrund unterschiedlichen optischen Aufnahmeverhaltens (individuelle PSF) einzelner Detektoren untereinander als auch aufgrund abweichenden optischen Aufnahmeverhaltens beim Hin- und Rückscan entstehen. Darüber hinaus bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, auch Bildartefakte in Z-Stapeln effektiv zu reduzieren. Das Verfahren ist mit geringem technischen Aufwand in neue oder bereits bestehende Bildaufnahmevorrichtungen beziehungsweise Bildauswertesoftware zu integrieren. Sollten untypische Intensitätsverteilungen in den Bilddaten auftreten, kann die Anwendbarkeit des Verfahrens durch fixe oder dynamische Beschränkungen der Korrekturwerte gesichert werden. Zusätzlich oder alternativ können abgeleitete Korrekturwerte erzeugt und angewandt werden, wodurch die Flexibilität des Verfahrens ebenfalls gesteigert werden kann.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines bidirektionalen Abtastschemas einer Objektebene;
• 2 eine schematische Darstellung eines unidirektionalen Abtastschemas einer Objektebene;
• 3 eine schematische Darstellung eines Z-Stapels; und
• 4 eine schematische Darstellung eines Ablaufschemas des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei alternativen Ausgestaltungen.
• In 1 sind schematisch eine Anzahl von Pixeln Px_n (i = 1, 2, 3, ..., n) gezeigt, die aneinander angrenzen und zu einem Verbund zusammengeschlossen sind. Die Bilddaten jedes Pixel Px_n wird jeweils mittels eines dem betreffenden Pixel Px_n zugeordneten Detektors D₁ , D₂ , D₃ ,..., D_n (i = 1, 2, 3, ..., n) erfasst. Die Detektoren D₁ , D₂ ,..., D_n sind mit einer Auswerteeinheit 1 in einer zur Übertragung von Daten geeigneten Weise verbunden. Die Auswerteeinheit 1 ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert.
• Die Bilddaten werden erfasst, indem die Pixel Px_n entlang von Zeilen j in einer Objektebene 2 geführt werden. Die tatsächlich nur virtuell vorhandenen Zeilen j sind für Erläuterungszwecke eingezeichnet. Die Objektebene 2 ist zugleich eine aktuell erfasste Z-Ebene ZE, d.h. sie befindet sich an einer Position Z entlang einer z-Achse Z und erstreckt sich entlang einer x-Achse X und einer y-Achse Y eines kartesischen Koordinatensystems. Die im Bereich der linken oberen Ecke der Objektebene 2 in 1 dargestellten Pixel Px_n werden aktuell von links nach rechts entlang der Zeilen j bewegt (Hinscan; durch einen Pfeil symbolisiert). Jede dabei eingenommene Erfassungsposition der Pixel Px_n entlang der Zeilen j stellt eine Spalte i der Objektebene 2 dar. Die erfassten Bilddaten sind daher Zeilen j und Spalten i einer Objektebene 2 beziehungsweise einer Z-Ebene ZE zugeordnet erfasst und gespeichert.
• Für den Rückscan werden die Pixel Px_n (mit unterbrochenen Volllinien dargestellt) orthogonal zur Richtung der Zeilen j um einen Parallelisierungsfaktor P verschoben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt P = 8 Zeilen j).
• Während des Hinscans werden die Bilddaten jedes Pixels Px_n zeilenweise erfasst und gespeichert. Dann erfolgt der Versatz der Pixel Px_n für den Rückscan entsprechend des Parallelisierungsfaktors P. Dabei können einige Zeilen j sowohl beim Hinscan als auch beim Rückscan überstrichen werden, allerdings durch verschiedene Pixel Px_n. Aus den erfassten Bilddaten werden unter Anwendung von Rekonstruktionsverfahren, beispielsweise unter Anwendung einer Entfaltungsfunktion (Dekonvolution, deconvolution) rekonstruierte Bilddaten und ein rekonstruiertes Bild berechnet.
• 2 zeigt eine Verfahrensausgestaltung, bei der ein Abtasten der Zeilen j immer in einer Richtung, hier in Richtung des Hinscans, erfolgt. Auch bei dieser Ausgestaltung werden die Pixel Px_n (mit unterbrochenen Volllinien dargestellt) für eine nachfolgende Abtastung orthogonal zur Richtung der Zeilen j um den Parallelisierungsfaktor P verschoben.
• Die Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes dienen als Grundlage für die nachfolgende Reduzierung von Bildartefakten im Sinne dieser Erfindung.
• So werden Zeilensummen der Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes gebildet. Aus den Zeilensummen aller Zeilen j, die von einem Pixel Px_n, beispielsweise von dem Pixel Px₁, erfasst wurden, wird ein Mittelwert gebildet. Dieser Vorgang kann wie folgt dargestellt werden: $$\widehat{\text{S}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)={\displaystyle \sum _{\text{i}={\text{i}}_{\text{max}}}^1{\displaystyle \sum _{\text{j}={\text{j}}_{\text{max}}/\text{P}}^1{\text{S}}_{\text{rekonstruiert}}\left(\text{i},{\text{j}}_{\text{parallel}}+\text{j}\cdot \text{P}\right)|\begin{array}{c}0\\ {\text{j}}_{\text{parallel}}=\text{P}-1\end{array}}}$$

  

  dabei sind:
• Ŝ(j_parallel) - Zeilensumme eines Pixels Px_n ;
• S_{rekonstruiert} - das Signal der rekonstruierten Bilddaten eines Pixels Px_n einer Objektebene 2;
• i - Index der Spalte des rekonstruierten Bildes;
• j - Index der Zeile des rekonstruierten Bildes;
• j_parallel - Zeilenvektor der Zeilen die jeweils von einem bestimmten Pixel Px_n erfasst wird ([1...P]):
• P - Parallelisierungsfaktor des Scans: Abstand von Zeilen j um die ein Pixel Px_n senkrecht zur Zeilenrichtung zwischen zwei Scans, beispielsweise Hinscan und Rückscan, versetzt ist.
• Ein Korrekturwert für diejenigen Zeilen j, die von einem bestimmten Pixel Px_n, beispielsweise von dem ersten Pixel Px₁ überstrichen und erfasst wurden, wird ermittelt, indem die Mittelwerte über die parallelisierten Zeilen normiert und ein Kehrwert der Form: $${\widehat{\text{S}}}_{\text{norm}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)=\raisebox{1ex}{$\left(\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\text{P}$}\right.\cdot {\displaystyle {\sum }_{{\text{j}}_{\text{parallel}}=\text{P}}^1\widehat{\text{S}}}\right)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\widehat{\text{S}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)$}\right.$$

  

  gebildet wird.
• Dabei sind
  Ŝ_norm(j_parallel) - Korrekturwerte jeweils für diejenigen Zeilen j, die durch einen bestimmten Pixel Px_n erfasst wurden.
• Mit den so erhaltenen Korrekturwerten für jedes Pixel Px_n werden die rekonstruierten Bilddaten der jeweils mit diesem Pixel Px_n erfassten Zeilen j multipliziert: $$\begin{array}{l}{\text{S}}_{\text{korr}}\left(\text{i},\text{j}\right)={\text{S}}_{\text{rekonstruiert}}\left(\text{i},{\text{j}}_{\text{parallel}}+\text{j}\cdot \text{P}\right)\\ \cdot {\widehat{\text{S}}}_{\text{norm}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)\left|\begin{array}{c}1\\ \text{i}={\text{i}}_{\text{max}}\end{array}\right|\begin{array}{c}1\\ \text{j}={\text{j}}_{\text{max}}/\text{P}\end{array}|\begin{array}{c}0\\ {\text{j}}_{\text{parallel}}=\text{P}-1\end{array}\end{array}$$

  
• Dabei ist:
• S_korr (i,j) - ein Signal (Bilddaten) eines korrigierten Bildes eine Objektebene 2 oder einer Z-Ebene ZE.
• Eine derartige Reduzierung von Bildartefakten in einer Objektebene 2 oder in einer Z-Ebene ZE dient als Basiskorrektur.
• In einer weiterführenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine erweiterte Korrektur vorgenommen werden.
• Werden Bilddaten mehrerer in Richtung der Z-Achse (Z-Richtung) hintereinander liegender Objektebenen 2 erfasst, können auch deren Bilddaten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens korrigiert und Bildartefakte, insbesondere Streifenbildungen, reduziert werden.
• Zur Erläuterung ist in 3 ein Z-Stapel 3 mit einer Anzahl von Z-Ebenen ZE dargestellt. Beispielhaft sind k = 5 Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 gezeigt, die zur besseren Darstellung leicht gegeneinander verschoben sind. Die einzelnen Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 sind bereits jeweils gemäß der oben beschriebenen Basiskorrektur streifenreduzierte korrigierte Bilder. Jede der Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 enthält erhöhte Intensitätswerte, von denen lediglich einige beispielhaft als ein ausgefüllter Kreis gezeigt sind.
• Die Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 werden einer Maximumintensitätsprojektion (MIP) unterzogen, in deren Ergebnis eine zweidimensionale Abbildung aller Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 als ein MIP-Bild 4 erhalten wird. Dabei werden die höchsten Intensitäten entlang der Z-Richtung in die Ebene des MIP-Bildes 4 projiziert. In dem MIP-Bild 4 sind also die Projektionen (durch Pfeile symbolisiert) der Punkte mit den höchsten Intensitäten aller Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 vereinigt. Die MIP erfolgt in Richtung der Z-Achse, sodass die Punkte des MIP-Bildes 4 zwar keine Information mehr enthalten, aus welcher der Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 sie herrühren, deren zweidimensionale Positionierung entlang der X-Achse X und der Y-Achse Y- und damit auch deren Position hinsichtlich der Zeile j und Spalte i-in dem MIP-Bild 4 aber erhalten bleibt.
• Die MIP kann wie folgt dargestellt werden: $$\stackrel{⌣}{\text{S}}\left(\text{i},\text{j}\right)=\underset{1\le \text{k}\le {\text{k}}_{\text{max}}}{{\displaystyle \text{max}}}{\text{S}}_{\text{rekonstruiert}}\left(\text{i},\text{j},\text{k}\right)\left|\begin{array}{c}1\\ \text{i}={\text{i}}_{\text{max}}\end{array}\right|\begin{array}{c}1\\ \text{j}={\text{j}}_{\text{max}}\end{array}|$$

  

  mit
• Š(i,j) - MIP in einer X-Y-Ebene mit Maximalwerten der Intensitätswerte über die Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 für alle Pixel Px_n .
• Entsprechend der Vorgehensweise bei der Basiskorrektur wird anhand der MIP, genauer: anhand des erzeugten MIP-Bildes 4, eine Reduzierung von Bildartefakten vorgenommen. Dabei dient das wie vorstehend beschrieben erzeugte MIP-Bild 4 als abzubildende Probe beziehungsweise als (einzige) Objektebene 2.
• Anhand des MIP-Bildes 4 werden wieder Zeilensummen gebildet, wobei die betreffenden Zeilen j während der Erfassung der Bilddaten des Z-Stapels 3 mit jeweils einem bestimmten Pixel Px_n überstrichen und erfasst wurden.
• Dieser Schritt kann mit $$\widehat{\text{S}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)={\displaystyle \sum _{\text{i}={\text{i}}_{\text{max}}}^1{\displaystyle \sum _{\text{j}={\text{j}}_{\text{max}}/\text{P}}^1\stackrel{⌣}{\text{S}}\left(\text{i},{\text{j}}_{\text{parallel}}+\text{j}\cdot \text{P}\right)|\begin{array}{c}\\ {\text{j}}_{\text{parallel}}\end{array}}}\begin{array}{l}0\hfill \\ =\text{P}-1\hfill \end{array}$$

  

  ausgedrückt werden.
• Entsprechend werden die Mittelwerte gebildet und normiert $$\widehat{\text{S}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)={\displaystyle \sum _{\text{i}={\text{i}}_{\text{max}}}^1{\displaystyle \sum _{\text{j}={\text{j}}_{\text{max}}/\text{P}}^1\stackrel{⌣}{\text{S}}\left(\text{i},{\text{j}}_{\text{parallel}}+\text{j}\cdot \text{P}\right)|}}\begin{array}{c}\\ j{}_{parallel}\end{array}\begin{array}{l}0\hfill \\ =\text{P}-1\hfill \end{array}$$

  

  
  und unter Bildung des Kehrwerts der für jeden Pixel Px_n spezifische Korrekturwert (MIP-Korrekturwert) ermittelt wird: $${\widehat{\text{S}}}_{\text{norm}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)=\raisebox{1ex}{$\left(\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\text{P}$}\right.\cdot {\displaystyle {\sum }_{{\text{j}}_{\text{parallel}}=\text{P}}^1\widehat{\text{S}}}\right)$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\widehat{\text{S}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)$}\right.$$

  
• Die so ermittelten, für ein jedes Pixel Px_n spezifischen Korrekturwerte werden mit den Bilddaten der entsprechenden Zeilen j, k der einzelnen Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 multipliziert und derart korrigierte Bilder der Z-Ebenen ZE1 bis ZE5 erhalten: $$\begin{array}{l}{\text{S}}_{\text{korr\_3D}}\left(\text{i},\text{j}\right)={\text{S}}_{\text{rekonstruiert}}\left(\text{i},{\text{j}}_{\text{parallel}}+\text{j}\cdot \text{P},\text{k}\right)\\ \cdot {\widehat{\text{S}}}_{\text{norm}}\left({\text{j}}_{\text{parallel}}\right)\left|\begin{array}{c}1\\ \text{i}={\text{i}}_{\text{max}}\end{array}\right|\begin{array}{c}1\\ \text{j}={\text{j}}_{\text{max}}/\text{P}\end{array}|\begin{array}{c}0\\ {\text{j}}_{\text{parellel}}=\text{P}-1\end{array}|\begin{array}{c}1\\ \text{k}={\text{k}}_{\text{max}}\end{array}\end{array}$$

  

  , wobei
• S_{korr_3D} - korrigierte Bilddaten einer Z-Ebene ZE auf Basis der Maximum Intensity Projektion (MIP); und
• k - ein Index des rekonstruierten Bildes in der z-Richtung (= Index der Z-Ebene ZE) ist.
• Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit seinen Ausgestaltungen als Basiskorrektur beziehungsweise mit zusätzlicher erweiterter Korrektur unter Anwendung einer Maximumintensitätsprojektion MIP ist in 4 schematisch wiedergegeben.
• Nach der zeilenweisen Erfassung von Bilddaten mittels jeweils bestimmter Pixel Px_n und Detektoren D_n werden anhand eines rekonstruierten Bildes Zeilensummen über die Intensitätswerte jeder Zeile j gebildet, die mit einem der Pixel Px_n erfasst wurden. Es folgt in weiteren Schritten die Bildung eines Mittelwerts, insbesondere eines normierten Mittelwerts, sowie dessen Kehrwerts. Durch Multiplikation des Korrekturwerts mit den Bilddaten des rekonstruierten Bildes wird ein korrigiertes Bild erhalten. Mit dem letztgenannten Verfahrensschritt ist die Basiskorrektur abgeschlossen und das korrigierte Bild kann beispielsweise auf einem Monitor angezeigt oder ausgegeben werden.
• Soll eine erweiterte Korrektur für eine Anzahl von Z-Ebenen ZE erfolgen, wird von deren korrigierten Bildern in Richtung der Z-Achse Z eine MIP ausgeführt (Alternative 1) und ein MIP-Bild 4 erzeugt (siehe 3). Anhand des MIP-Bildes 4 werden wieder Zeilensummen gebildet und deren normierte Mittelwerte und Kehrwerte zur Ermittlung eines Korrekturwerts für jedes Pixel Px_n genutzt. Die Bilddaten der einzelnen korrigierten Bilder werden mit den Korrekturwerten entsprechend ihrer Zuordnung zu bestimmten Pixeln Px_n multipliziert und korrigierte Bilddaten der einzelnen Z-Ebenen ZE, und damit des Z-Stapels 3, erhalten.
• In einer Alternative zum Verfahrensweg über die Erzeugung eines MIP-Bildes 4 können die Korrekturwerte mit einer Korrekturfunktion verrechnet, beispielsweise multipliziert, werden (Alternative 2). Die abgeleiteten Korrekturwerte werden dann mit den entsprechenden Bilddaten multipliziert und ein korrigiertes Bild erhalten.
• Die Korrekturfunktion kann in einer weiteren Ausgestaltung auch auf die mittels des MIP-Bildes 4 ermittelten Korrekturwerte angewendet werden (Alternative 3).
• Bezugszeichenliste

1

Auswerteeinheit

2

Objektebene

3

Z-Stapel

4

MIP-Bild

i

Index Spalte

j

Index Zeile

D_n

Detektor (mit n = 1, 2, ..., max)

Px_n

Pixel (mit n = 1, 2, ..., max)

ZE

Z-Ebene

ZE1, ..., ZE5

erste Z-Ebene, ..., fünfte Z-Ebene

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Huff, J. et al. 2015; The Airy detector from ZEISS - Confocal imaging with improved signal-to-noise ratio and superresolution; Technology Note EN_41_013_102 [0015]

Claims (10)

1. Verfahren zur Reduzierung von Bildartefakten in scannend erfassten Bildern einer Probe; bei dem Intensitätswerte mindestens zweier als Pixel (Px_n) bezeichnete Detektionsbereiche entlang je einer Zeile (j) in einer ersten Scanrichtung erfasst werden; und anhand der erfassten Intensitätswerte ein rekonstruiertes Bild erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes entlang der jeweils durch ein bestimmtes Pixel (Px_n) abgetasteten Zeilen (j) summiert werden und je eine Zeilensumme gebildet wird; anhand der so gebildeten Zeilensummen ein Korrekturwert des Pixels (Px_n) ermittelt wird und der Korrekturwert auf die mittels des Pixels (Px_n) erfassten Intensitätswerte des rekonstruierten Bildes angewendet wird, wodurch ein korrigiertes Bild erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Erfassung der Zeile (j) Intensitätswerte je einer weiteren Zeile (j) abgetastet werden, wobei die Erfassung in einer zur ersten Scanrichtung im Wesentlichen orthogonalen Richtung jeweils um eine Anzahl P Zeilen (j) entsprechend eines Parallelisierungsfaktors (P) verschoben erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert als ein Mittelwert aller Zeilensummen der mittels eines Pixels (Px_n) abgetasteten Zeilen (j) gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kehrwert des Korrekturwerts als ein Korrekturfaktor zu den rekonstruierten Bilddaten der mittels des Pixels abgetasteten Zeilen multipliziert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Kehrwert nach Anspruch 4 gespeichert und für die nachfolgende Erzeugung einer Anzahl korrigierter Bilder verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens zwei in einer Z-Richtung hintereinander liegende korrigierte Bilder von Z-Ebenen (ZE1 bis ZE5) eine Maximum-Intensitäts-Projektion angewendet wird und anhand eines so erhaltenen MIP-Bildes (4) erneut die Schritte der Bildung von Zeilensummen, der Ermittlung des Korrekturwerts und des Kehrwerts ausgeführt werden und die ermittelten Korrekturwerte beziehungsweise deren Kehrwerte auf die Bilddaten der korrigierten Bilder der Z-Ebenen (ZE1 bis ZE5) angewendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens zwei korrigierte Bilder, deren Bilddaten entweder zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder mit mindestens zwei unterschiedlichen Kanälen erfasst wurden oder deren Bilddaten an unterschiedlichen Orten der Probe und/oder unter verschiedenen Aufnahmewinkeln erfasst wurden eine Maximum-Intensitäts-Projektion angewendet wird und anhand eines so erhaltenen MIP-Bildes (4) erneut die Schritte der Bildung von Zeilensummen, der Ermittlung des Korrekturwerts und des Kehrwerts ausgeführt werden und die ermittelten Korrekturwerte beziehungsweise deren Kehrwerte auf die Bilddaten der korrigierten Bilder angewendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wertebereich der Korrekturwerte begrenzt wird, indem zulässige Maximalwerte und/oder zulässige Minimalwerte vorgegeben werden oder indem die Korrekturwerte mit einer Funktion zum Beschränken begrenzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zulässigen Maximalwerte und/oder die zulässigen Minimalwerte beziehungsweise die Funktion zum Beschränken anhand einer Simulationsrechnung angepasst werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Korrekturfunktion unter Nutzung der ermittelten Korrekturwerte abgeleitete Korrekturwerte gebildet werden.

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