專利名稱：一種共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光掃描共聚焦顯微鏡領(lǐng)域，尤其涉及一種共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)顯微鏡是歷代生物學(xué)家觀察研究對象的主要工具之一。激光掃描共聚焦顯微鏡是在熒光顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高分辨率，非接觸式，能夠三維成像的光學(xué)顯微鏡，它的光學(xué)分辨率突破了傳統(tǒng)的衍射極限，使光學(xué)顯微技術(shù)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。激光掃描共聚焦顯微鏡采用共軛焦點技術(shù)，使光源針孔、樣本及探測器針孔處于彼此對應(yīng)的共軛位置，并使用激光作為光源，激光束通過物鏡聚焦于樣本上，在掃描裝置的 驅(qū)動下，實現(xiàn)對樣本的點掃描，最后計算機對掃描后的一維信號進(jìn)行排列重組得到重建后的樣本二維圖像。由于光學(xué)系統(tǒng)中存在雜散光的干擾，電路系統(tǒng)中存在噪聲，最終重建得到的樣本二維圖像中會含有大量噪聲，這些噪聲的存在掩蓋了真實的圖像信息，影響了后續(xù)的圖像處理和分析的結(jié)果，因此需要對掃描得到的一維原始信號進(jìn)行預(yù)處理，才能在樣本二維圖像重建過程中獲得質(zhì)量較高的樣本圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，用于處理激光掃描共聚焦顯微鏡對樣本掃描得到的模擬信號，包括將所述模擬信號記錄為由樣本圖像各行首尾相接構(gòu)成的原始一維信號；使用模擬低通濾波器對所述原始一維信號進(jìn)行濾波得到第一濾波信號；對所述第一濾波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號；使用數(shù)字低通濾波器對所述第一數(shù)字信號進(jìn)行濾波得到第二濾波信號；根據(jù)所述第二濾波信號重建所述樣本的二維圖像。優(yōu)選地，所述模擬低通濾波器為巴特沃斯低通濾波器，用于濾除所述原始一維信號中的高頻噪聲。優(yōu)選地，所述第一濾波信號由若干個不同頻率的分量信號構(gòu)成，其中，頻率最高的分量信號的頻率值為fmax。優(yōu)選地，對所述第一濾波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號包括對所述第一濾波信號使用采樣頻率fs進(jìn)行采樣，得到采樣信號，其中，fs^ 2fmax ；對所述采樣信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到所述第一數(shù)字信號。優(yōu)選地，所述數(shù)字低通濾波器為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，用于濾除模擬低通濾波以及數(shù)據(jù)采集過程中引入的外界噪聲，所述數(shù)字低通濾波器的截止頻率為fmax的20%至 30%。優(yōu)選地，所述第二濾波信號為一維數(shù)字電壓信號，根據(jù)所述第二濾波信號重建所述樣本的二維圖像包括
將所述第二濾波信號對應(yīng)的電壓值映射到圖像灰度空間中，得到第二數(shù)字信號；將所述第二數(shù)字信號進(jìn)行排列得到所述樣本的二維圖像。根據(jù)本發(fā)明實施方案中的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，可以直接對掃描得到的一維信號進(jìn)行處理，有效地濾除光學(xué)系統(tǒng)中存在雜散光以及電路系統(tǒng)中的噪聲，最終獲得清晰平滑的樣本二維圖像。同時，一維信號濾波的速度非?？欤静挥绊懻麄€系統(tǒng)的響應(yīng)時間，滿足對二維圖像進(jìn)行實時顯示的需要。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中圖I是本發(fā)明一實施方案的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法流程圖；圖2是本發(fā)明一實施方案的一階巴特沃斯低通濾波器的實施電路圖； 圖3是本發(fā)明一實施方案的二階巴特沃斯低通濾波器的實施電路圖；圖4是本發(fā)明一實施方案的對第一濾波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號的流程圖；圖5是本發(fā)明一實施方案的根據(jù)第二濾波信號重建樣本二維圖像的流程圖。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖I為本發(fā)明一實施方案的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法流程圖。在本實施方案中，執(zhí)行步驟SlOl之前，激光掃描共聚焦顯微鏡首先對樣本進(jìn)行點掃描，所述點掃描過程是對樣本逐點逐行地掃描，對前一行掃描完成后，從下一行的起始位置繼續(xù)進(jìn)行掃描，直至掃描完整個樣本。掃描完成后，執(zhí)行步驟S101，按照圖像各行首尾相接的形式，將掃描得到的信號記錄為原始一維信號。所述原始一維信號為模擬信號，橫坐標(biāo)為掃描時刻，縱坐標(biāo)為相應(yīng)掃描時刻的樣本掃描點的電壓值。在一優(yōu)選實施例中，所述樣本圖像有M行，所述原始一維信號用函數(shù)A (t)表示，掃描時刻t單位為秒，其中，當(dāng)掃描時刻t處于范圍t1；A(t)為樣本圖像第一行掃描點的電壓值，當(dāng)掃描時刻t處于范圍< t彡t2，A(t)為樣本圖像第二行掃描點的電壓值，依此類推，當(dāng)掃描時刻t處于范圍<t^tM,A(t)為樣本圖像第M行掃描點的電壓值。所述掃描時刻對應(yīng)于掃描時樣本圖像的一個特定位置，所述特定位置決定了對應(yīng)信號值在圖像重建時的位置坐標(biāo)。在步驟S102中，對所述原始一維信號A (t)進(jìn)行濾波得到第一濾波信號B (t)。具體地，所述原始一維信號A(t)由若干分量信號構(gòu)成，所述若干分量信號的頻率值分別為f\、f2、f3、...，其中，頻率值高于某一閾值4的分量信號可以視為所述原始一維信號A(t)中存在的高頻噪聲，這些高頻噪聲是在激光掃描共聚焦顯微鏡對樣本掃描過程中由顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)引入的，并且是不可避免的。在本實施方案中，選取fT值為1MHz。在本實施例中，所述濾波過程采用了巴特沃斯低通濾波器，截止頻率f。為1MHz，其作用為用于濾除頻率值高于IMHz的高頻噪聲，同時頻率低于IMHz的分量信號幅值保持不變。具體地，任何高階的巴特沃斯低通濾波器都可以分解為一階和二階巴特沃斯低通濾波器的乘積。其中，一階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為H(s) = KCcoc/(s+Ccoc)，
其具體實施電路如圖2 所示，R1 = !/(CC1Oc)，R2 = KV(K-I), R3 = KR10 K 為通帶放大倍數(shù)，在本實施例中取1，不進(jìn)行放大；c為阻尼系統(tǒng)，對于巴特沃斯低通濾波器，取1.414々取10/fT，單位為^;03。是截止頻率，為6.28父106以(1/8 ; IN端為待濾波信號的輸入端，OUT端為濾波后信號的輸出端。二階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為H (s) = Ks2/ [S2+ (B ω c/C) s+ ω 2JC]，其具體實施電路如圖3所示，C1取10/fT，單位為μ F ；C2 = C1A, R1 = 1/(2^+ )ω c，R2 = C (2Ci+C2) /C1C2 ω c ; ω c是截止頻率，為6. 28 X 106rad/s ；IN端為待濾波信號的輸入端，OUT端為濾波后信號的輸出端。在本實施例中選用二階巴特沃斯低通濾波器對所述原始一維信號A(t)進(jìn)行濾波。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理解，隨著階數(shù)的增加，巴特沃斯低通濾波器頻率響應(yīng)曲線的通帶邊緣更加陡峭，意味著低于截止頻率的低頻信號經(jīng)濾波器濾波后保留得更加完整，同時高于截止頻率的高頻信號經(jīng)濾波器濾波后被濾除得更加徹底，然而濾波電路隨著階數(shù)的增加需要更多的元器件，電路組成更加復(fù)雜。因此，在本實施方案中，可以根據(jù)上述原理并結(jié)合實際情況，選用相應(yīng)階數(shù)的巴特沃斯低通濾波器對原始一維信號A(t)進(jìn)行濾波。任何高階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)都可以由若干一階和二階巴特沃 斯低通濾波器傳遞函數(shù)的相乘得到。使用所述二階巴特沃斯低通濾波器對所述原始一維信號A(t)進(jìn)行濾波后，所述原始一維信號A(t)中頻率高于IMHz的分量信號都被濾除，頻率低于IMHz的分量信號都被保留，濾波后得到的所述第一濾波信號B(t)中頻率最高的分量信號的頻率值fmax即等于截止頻率IMHz。在步驟S103中，對所述第一濾波信號B (t)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號C (k)。如圖4所示，所述數(shù)據(jù)采集過程可以具體分解為1)步驟S201，對所述第一濾波信號B(t)使用采樣頻率fs進(jìn)行采樣，其中fs彡2fmax，得到采樣后的信號B’(k)，其中k = 0，1，...，tMfs,0彡k彡沾時，B，(k)對應(yīng)樣本圖像中第一行的掃描點，Lfs < k彡t2fs時，B，(k)對應(yīng)樣本圖像中第二行的掃描點，依此類推，< k彡tMfs時，B’ (k)對應(yīng)樣本圖像中第M行的掃描點。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于等于信號最高頻率的兩倍，而在本實施例中所述第一濾波信號B(t)中頻率最高的分量信號的頻率值fmax為1MHz，使用5MHz的采樣頻率對獲取到的所述第一濾波信號B(t)進(jìn)行采樣，采樣后的信號B’ (k)能被完全恢復(fù)而不發(fā)生畸變。2)步驟S202，對所述采樣信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到所述第一數(shù)字信號C(k),其中 k = O, I, · · · , tMfso在步驟S104中，對所述第一數(shù)字信號C(k)濾波得到第二濾波信號D (k)，其中k=0,1, , tMfs,0彡k彡沾時，D(k)對應(yīng)樣本圖像中第一行的掃描點，Lfs < k彡t2fs時，D(k)對應(yīng)樣本圖像中第二行的掃描點，依此類推，VJs < k彡tMfs時，D(k)對應(yīng)樣本圖像中第M行的掃描點。由于所述原始一維信號A(t)在經(jīng)過所述模擬低通濾波器時被噪聲污染，且在所述數(shù)據(jù)采集過程中會引入量化噪聲，因此需要對所述第一數(shù)字信號C(k)進(jìn)行數(shù)字濾波。在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中采用有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器對所述第一數(shù)字信號C(k)進(jìn)行數(shù)字濾波，截止頻率為采樣頻率fs的20%至30%。所述數(shù)字濾波器可以通過數(shù)字運算器件來實現(xiàn)，也可以通過Matlab、LabVIEff等仿真軟件來實現(xiàn),在本實施例中，采用仿真軟件LabVIEW來實現(xiàn)所述FIR濾波器，截止頻率為fmax的25%，即為250KHz。在步驟S105中，根據(jù)所述第二濾波信號D(k)重建所述樣本的二維圖像。如圖5所示，所述重建過程可具體分解為1)步驟S301，采用公式
E(k) = (2n-l) D (k)/(Vmax-Vmin),將所述第二濾波信號D(k)對應(yīng)的電壓值線性映射到圖像灰度空間中，得到第二數(shù)字信號E(k)，其中E(k)表示在每個采樣點k處映射后的灰度值，η表示圖像的位深，在本實施例中取8，Vmax表示D (k)中的最大值，Vmin表示D (k)中的最小值，k = 0，1，...，tMfs，O ^ Lfs時，E(k)對應(yīng)樣本圖像中第一行的掃描點的灰度值，Lfs < k彡t2fs時，E(k)對應(yīng)樣本圖像中第二行的掃描點的灰度值，依此類推，VJs < k彡tMfs時，E(k)對應(yīng)樣本圖像中第M行的掃描點的灰度值。2)步驟S302，將所述第二數(shù)字信號E(k)進(jìn)行排列得到所述樣本的二維圖像。具體地，k = O, I, . . . , tMfs,0彡k彡時，E(k)對應(yīng)樣本圖像中第一行的掃描點的灰度值，Lfs < k彡t2fs時，E(k)對應(yīng)樣本圖像中第二行的掃描點的灰度值，依此類推，<k^ tMfs時，E(k)對應(yīng)樣本圖像中第M行的掃描點的灰度值，將上述各行掃描點的灰度值信號分別取出，再在二維空間上將所述各行圖像信號依次進(jìn)行縱向排列最終得到所述樣本的二維圖像。雖然本發(fā)明參照當(dāng)前的較佳實施方式進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理 解，上述較佳實施方式僅用來說明本發(fā)明，并非用來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，任何在本發(fā)明的精神和原則范圍之內(nèi)，所做的任何修飾、等效替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，用于處理激光掃描共聚焦顯微鏡對樣本掃描得到的模擬信號，其特征在于，包括 將所述模擬信號記錄為由樣本圖像各行首尾相接構(gòu)成的原始一維信號； 使用模擬低通濾波器對所述原始一維信號進(jìn)行濾波得到第一濾波信號； 對所述第一濾波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號； 使用數(shù)字低通濾波器對所述第一數(shù)字信號進(jìn)行濾波得到第二濾波信號； 根據(jù)所述第二濾波信號重建所述樣本的二維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，其特征在于，所述模擬低通濾波器為巴特沃斯低通濾波器，用于濾除所述原始一維信號中的高頻噪聲。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，其特征在于，所述第一濾波信號由若干個不同頻率的分量信號構(gòu)成，其中，頻率最高的分量信號的頻率值為f丄 max °
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，其特征在于，對所述第一濾波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號包括 對所述第一濾波信號使用采樣頻率fs進(jìn)行采樣，得到采樣信號，其中，fs ^ 2fmax ； 對所述采樣信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到所述第一數(shù)字信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，其特征在于，所述數(shù)字低通濾波器為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，用于濾除高頻噪聲，所述數(shù)字低通濾波器的截止頻率為fmax的20%至30%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，其特征在于，所述第二濾波信號為一維數(shù)字電壓信號，根據(jù)所述第二濾波信號重建所述樣本的二維圖像包括 將所述第二濾波信號對應(yīng)的電壓值映射到圖像灰度空間中，得到第二數(shù)字信號； 將所述第二數(shù)字信號進(jìn)行排列得到所述樣本的二維圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種共聚焦點掃描成像的信號預(yù)處理方法，用于處理激光掃描共聚焦顯微鏡對樣本掃描得到的模擬信號，包括將模擬信號記錄為由樣本圖像各行首尾相接構(gòu)成的原始一維信號；使用模擬低通濾波器對原始一維信號進(jìn)行濾波得到第一濾波信號；對第一濾波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到第一數(shù)字信號；使用數(shù)字低通濾波器對第一數(shù)字信號進(jìn)行濾波得到第二濾波信號；根據(jù)第二濾波信號重建所述樣本的二維圖像。根據(jù)本發(fā)明提出方法，可直接對掃描得到的一維信號處理，有效地濾除光學(xué)系統(tǒng)中存在雜散光及電路系統(tǒng)中的噪聲，最終獲得清晰平滑的樣本二維圖像。同時，一維信號濾波的速度非?？欤静挥绊懻麄€系統(tǒng)的響應(yīng)時間，滿足對二維圖像進(jìn)行實時顯示的需要。
文檔編號H04N1/415GK102833462SQ20121025574
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者薛曉君, 張運海, 黃維, 唐志豪 申請人:蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所