一種基于bosvs的三維斷層相位顯微鏡重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于BOSVS的三維斷層相位顯微鏡重建方法，包括：(1)利用馬赫-曾德干涉儀采集放樣品和不放樣品時的多角度激光干涉圖像并輸入計(jì)算機(jī)；(2)從干涉圖像中計(jì)算出散射場的相位信息；(3)從相位信息計(jì)算出樣品空間頻域分布；(4)建立矩陣擬合模型，同時加入邊緣差分算子進(jìn)行最優(yōu)化求解；(5)采用BOSVS算法解上述模型，得到樣品各切片對應(yīng)的折射率分布。本發(fā)明通過數(shù)據(jù)擬合和邊緣差分算子重建模型，利用BOSVS算法進(jìn)行迭代求解，獲得了更高分辨率和邊緣更加清晰的重建圖像，本發(fā)明方法有效地消除了數(shù)據(jù)采集過程中引入的誤差，并且大大提高了缺失角度數(shù)據(jù)的重建的分辨率。
【專利說明】一種基于BOSVS的三維斷層相位顯微鏡重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)圖像重建【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于BOSVS (Bregman operator splitting algorithm with variable stepsize，可變迭代步長的伯格曼分裂算 子）的三維斷層相位顯微鏡重建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著科技的進(jìn)步，光學(xué)顯微鏡以更高的空間分辨率，更大的成像深度以及 對活體細(xì)胞無損探測的可行性，成為生物學(xué)家和臨床研宄人員研宄的熱點(diǎn)。它已經(jīng)成為生 物學(xué)和醫(yī)學(xué)研宄中必不可少的工具，是細(xì)胞學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)得以建立和發(fā)展的重要基礎(chǔ)。 目前在細(xì)胞生物學(xué)中，除了普通光學(xué)顯微鏡以外、還有熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、相 位顯微鏡等多種顯微鏡。
[0003] 其中，相位顯微技術(shù)包括相襯顯微鏡，微分干涉差顯微鏡和定量相位顯微鏡等，它 們通過測量樣本引起的相位延遲來得到可視化的生物結(jié)構(gòu)。生物細(xì)胞內(nèi)，不同的折射率分 布將引起光波不同的相位延遲，這些顯微技術(shù)將折射率的空間差異轉(zhuǎn)換成為圖像的對比 度。而折射率是物體固有的對比源，同時也是一個重要的生化參數(shù)，與分子的濃度成正比。 大多數(shù)生物細(xì)胞在可見光下的吸收可以忽略，但是其內(nèi)部不同的細(xì)胞器之間存在著折射率 的差異。因此，在生物學(xué)研宄中，折射率已經(jīng)成為一個比吸收率更好的內(nèi)生對比源。但是， 在通常情況下，活體細(xì)胞的折射率差異是非常微弱的，這就需要對光信號進(jìn)行調(diào)制來提高 成像對比度。
[0004] 通常，相襯顯微鏡采用一個使零頻衰減同時相移90°的位相板進(jìn)行空間濾波，將 物體的位相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成像平面上的光強(qiáng)分布。微分干涉差顯微鏡采用兩個渥拉斯頓棱鏡使 兩束光在不同時間經(jīng)過樣品的相鄰部位，由于樣品的厚度和折射率不同，引起兩束光發(fā)生 光程差，從而將樣品中的微小差別轉(zhuǎn)化成圖像的明暗區(qū)別。這兩種顯微技術(shù)利用干涉技術(shù) 來提高圖像對比度，將細(xì)胞內(nèi)折射率差異引起的透射光的相位變化轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度分布。但是， 這些技術(shù)提供的不是定量的相位變化圖。定量相位顯微鏡通過對參考光束進(jìn)行調(diào)制，使得 樣本光束和參考光束之間產(chǎn)生相移，再對兩光束進(jìn)行干涉來測量樣本微小的折射率差異。 而近年來發(fā)展的相位顯微技術(shù)已經(jīng)可以定量的記錄由樣本引起的相位延遲。但是相位延遲 正比于折射率與路徑長度的乘積，更一般的講是折射率與光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的卷積。因 此，這些技術(shù)僅可以提供細(xì)胞的平均折射率參數(shù)或者細(xì)胞的厚度，而沒有細(xì)胞的詳細(xì)的三 維結(jié)構(gòu)。
[0005] 最近幾年，在定量相位顯微技術(shù)的基礎(chǔ)上，很多研宄小組已經(jīng)開發(fā)了能夠測量 生物細(xì)胞三維折射率分布的多種新型顯微鏡技術(shù)，如斷層相位顯微鏡、STPM(synth etic aperture tomographic phase microscopy，合成孔徑層析相位顯微鏡）、DHM(digital holographic microscopy，數(shù)字全息顯微鏡）、0SH(optical scanning holography，光學(xué)掃 描全息顯微鏡）等。這些顯微鏡技術(shù)的共同策略是采用計(jì)算機(jī)斷層掃描儀多角度采集吸收 系數(shù)投影數(shù)據(jù)的方式，記錄不同角度的相位投影數(shù)據(jù)，從而重建出生物細(xì)胞的三維折射率 分布。這些新型的顯微鏡技術(shù)具有比傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡更高的精度和空間分辨率，并且能夠 得到樣品的三維定量結(jié)構(gòu)信息。
[0006] 傳統(tǒng)的三維斷層相位顯微鏡利用濾波反投影法來進(jìn)行重建。濾波反投影重建具有 重建速度快、空間和密度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是對投影數(shù)據(jù)的完備性要求較高，從數(shù)學(xué) 上講。只有獲得被檢試件所有的Radon變換數(shù)據(jù)（完全投影數(shù)據(jù)）后才能精確重建其切片 圖像。同時成像系統(tǒng)的幾何象差，成像環(huán)境引入的噪聲，以及CCD的不均勻性都會造成重建 圖像分辨率下降，邊緣模糊等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于BOSVS的三維斷層 相位顯微鏡重建方法，通過在迭代過程中引入輔助變量和迭代參數(shù)，將原優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)?交替優(yōu)化的子優(yōu)化問題，通過引入隨求解目標(biāo)變量變化的可變步長，加速了目標(biāo)函數(shù)的收 斂速度，提高了分辨率。
[0008] 一種基于BOSVS的三維斷層相位顯微鏡重建方法，包括如下步驟：
[0009] (1)利用馬赫-曾德干涉儀采集放樣品和不放樣品兩種情況下各角度激光對應(yīng)的 干涉圖像；
[0010] (2)對于樣品任一切片，從干涉圖像中提取出對應(yīng)該切片散射場的相位信息；
[0011] ⑶根據(jù)所述的相位信息計(jì)算出樣品折射率的空間頻域分布Fs;
[0012] (4)在關(guān)于折射率u和空間頻域分布Fs的矩陣擬合模型中加入關(guān)于折射率u的邊 緣差分算子TV(U)，并進(jìn)行最優(yōu)化求解得到樣品各切片的折射率分布。
[0013] 所述的步驟（2)中采用頻域分析法從干涉圖像中提取出對應(yīng)切片散射場的相位 信息。
[0014] 所述的步驟（3)中根據(jù)中心切片定理對所述的相位信息做傅里葉變換后沿各角 度擺放在空間域后進(jìn)行雙線性插值，從而得到樣品折射率的空間頻域分布F s。
[0015] 所述的步驟（4)中在關(guān)于折射率u和空間頻域分布Fs的矩陣擬合模型中加入關(guān) 于折射率u的邊緣差分算子TV(u)，則模型的最優(yōu)化求解表達(dá)式如下：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于BOSVS的三維斷層相位顯微鏡重建方法，包括如下步驟： (1) 利用馬赫-曾德干涉儀采集放樣品和不放樣品兩種情況下各角度激光對應(yīng)的干涉 圖像； (2) 對于樣品任一切片，從干涉圖像中提取出對應(yīng)該切片散射場的相位信息； (3) 根據(jù)所述的相位信息計(jì)算出樣品折射率的空間頻域分布Fs; (4) 在關(guān)于折射率u和空間頻域分布Fs的矩陣擬合模型中加入關(guān)于折射率u的邊緣差 分算子TV(U)，并進(jìn)行最優(yōu)化求解得到樣品各切片的折射率分布。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：所述的步驟（2) 中采用頻域分析法從干涉圖像中提取出對應(yīng)切片散射場的相位信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：所述的步驟（3) 中根據(jù)中心切片定理對所述的相位信息做傅里葉變換后沿各角度擺放在空間域后進(jìn)行雙 線性插值，從而得到樣品折射率的空間頻域分布F s。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：所述的步驟（4) 中在關(guān)于折射率u和空間頻域分布Fs的矩陣擬合模型中加入關(guān)于折射率u的邊緣差分算 子TV(U)，則模型的最優(yōu)化求解表達(dá)式如下：
其中：FO為傅里葉變換算符，μ為模型的調(diào)節(jié)參數(shù)，I I I |2表示二范數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：采用BOSVS算 法對所述的最優(yōu)化求解表達(dá)式進(jìn)行求解。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：根據(jù)以下迭代 方程對所述的最優(yōu)化求解表達(dá)式進(jìn)行求解：
其中：DO為差分算符，Xk+1和λ k分別為第k+Ι次和第k次迭代的拉格朗日參數(shù)，uk+1 和uk分別為第k+Ι次和第k次迭代的折射率，wk+1和w k分別為第k+Ι次和第k次迭代的差 分參數(shù)，Φ()為目標(biāo)函數(shù)，β為目標(biāo)函數(shù)的調(diào)節(jié)參數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：所述的目標(biāo)函 數(shù)Φ 0的表達(dá)式如下：
其中：〈> 為內(nèi)積算符，G(U)為關(guān)于折射率u的矩陣擬合函數(shù)，W為差分參數(shù)，λ為拉格 朗日參數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維斷層相位顯微鏡重建方法，其特征在于：所述的矩陣擬 合函數(shù)G (u)的表達(dá)式如下：
【文檔編號】G06T17/30GK104517319SQ201410775515
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】劉華鋒, 白靜 申請人:浙江大學(xué)