[发明专利]三维显微层析计算摄像方法及装置

说明书

本发明公开了一种三维显微层析计算摄像方法及装置，其中，方法包括以下步骤：将不同深度的高维图像信息耦合到低维探测信号中；利用样本的稀疏特性对低维探测信号解码，得到计算摄像结果。该方法通过编码激发、荧光耦合采集、稀疏重建的方法，实现三维高速层析扫描，从而可以有效克服三维显微层析技术中的成像层数和成像速度之间的矛盾，显著提升了成像的信噪比。

技术领域

本发明涉及显微层析成像技术领域，特别涉及一种三维显微层析计算摄像方法及装置。

背景技术

传统的显微方式难以达到三维神经高速层析成像的需求。宽场荧光显微技术是最基本的荧光显微技术，其成像速度仅受限于相机的成像帧率。(对于常用的科研级sCMOS相机，2560*2160像素成像区域最高为100帧/秒)。宽场荧光显微系统不具有层析能力，焦外荧光会显著恶化焦平面信号的画质；其穿透深度因为探测荧光受到散射而限制在200μm左右，仅仅能看到小鼠大脑2/3层神经元的胞体。

相关技术中，一种改进的宽场荧光显微技术是反卷积显微技术，根据点扩展函数信息利用三维图像序列反解获得样本的层析重构。此方案可以部分改善层析能力，但因为点扩展函数的精确测量难以实现和较低的成像信噪比而只适用于大脑表层结构。结构光照明技术利用频域调制的方法获得较好的层析能力，但该技术依赖的正余弦激发条纹在深层组织中会受到明显散射。共聚焦显微技术采用点激发-点探测的技术实现了样本的层析能力，但是随着深度的增加其荧光信号强度会严重衰减，难以应用于深层成像；由于采用了点激发的成像方式，其成像速度受到光学器件机械惯性的制约，难以实现高速成像.转盘共聚焦技术采用并行点扫的方式，大大提升了扫描的速度，但仍然无法克服深度成像的信号散射衰减问题。能够实现深层神经元成像的是非线性荧光技术：以双光子荧光技术为例，因为组织对长波的吸收和散射远小于短波长，采用920nm的红外飞秒激光点扫激发，PMT)(photomultiplier tube，光电倍增管)探测的点扫双光子成像可以获得600μm的成像深度，但其成像速率受到飞秒重复频率、信噪比等的多重制约，仍不能实现高速体成像。时空共聚焦技术是最近提出的双光子荧光技术，该技术通过光栅引入飞秒脉冲色散，在时间和空间两个维度同时对光强调制，实现了宽场的层析照明，成功克服了飞秒激光重复频率对成像速率的限制，但激发的荧光信号还是不可避免地受到组织的散射，因而在深层组织的像质较双光子点扫技术有所降低。

几年来，大量涌现出荧光双光子三维快速成像性能的工作，主要概括为三个方面：一类是采用选择性激发方案，以丢失一部分信息点或者细节的方式加快三维扫描速度；第二类是通过光电技术快速移动物镜的聚焦位置；第三类是在成像完成后通过压缩感知算法利用空间稀疏性提高图像重建质量。但是迄今为止，在双光子三维层析成像领域仍未见工作能够完整地集成计算摄像学的框架，因此仍有很大改进空间。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种三维显微层析计算摄像方法，该方法有效克服三维显微层析技术中的成像层数和成像速度之间的矛盾，显著提升了成像的信噪比。

本发明的另一个目的在于提出一种三维显微层析计算摄像装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种三维显微层析计算摄像方法

本发明实施例的三维显微层析计算摄像方法，通过编码激发、荧光耦合采集、稀疏重建的方法，实现三维高速层析扫描，在保证三维荧光成像精度的同时，提升了图像采集速度，并显著提升了成像的信噪比；拍摄后重建得到的高分辨率高帧率三维图像，能够反映出哺乳动物神经科学中的快速生物化学过程，从而有效克服三维显微层析技术中的成像层数和成像速度之间的矛盾，显著提升了成像的信噪比。

另外，根据本发明上述实施例的三维显微层析计算摄像方法还可以具有以下附加的技术特征：