[发明专利]一种基于图变分的三维断层相位显微镜重建方法

说明书

本发明公开了一种基于图变分的三维断层相位显微镜重建方法，包括：利用马赫‑曾德干涉仪采集放样品和不放样品时的多角度激光干涉图像并输入计算机；从干涉图像中计算出散射场的相位信息；从相位信息计算出样品空间频域分布；建立矩阵拟合模型，同时加入边缘差分算子进行最优化求解；采用图变分算法解上述模型，得到样品各切片对应的折射率分布。本发明通过数据拟合和边缘差分算子重建模型，利用图变分算法进行迭代求解，引入图变分概念，在整个样本数据中的相似区域之间进行差分去噪，不受空间约束限制，获得了更高分辨率和边缘更加清晰的重建图像，本发明有效地消除了数据采集过程中引入的误差，并且大大提高了缺失角度数据的重建的分辨率。

技术领域

本发明属于生物医学图像重建技术领域，具体涉及一种基于图变分(GraphTotalVariation)的三维断层相位显微镜重建方法。

背景技术

近年来，随着科技的进步，光学显微镜以更高的空间分辨率，更大的成像深度以及对活体细胞无损探测的可行性，成为生物学家和临床研究人员研究的热点。它已经成为生物学和医学研究中必不可少的工具，是细胞学和细胞生物学得以建立和发展的重要基础。目前在细胞生物学中，除了普通光学显微镜以外、还有荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、相位显微镜等多种显微镜。

其中，相位显微技术包括相衬显微镜，微分干涉差显微镜和定量相位显微镜等，它们通过测量样本引起的相位延迟来得到可视化的生物结构。生物细胞内，不同的折射率分布将引起光波不同的相位延迟，这些显微技术将折射率的空间差异转换成为图像的对比度。而折射率是物体固有的对比源，同时也是一个重要的生化参数，与分子的浓度成正比。大多数生物细胞在可见光下的吸收可以忽略，但是其内部不同的细胞器之间存在着折射率的差异。因此，在生物学研究中，折射率已经成为一个比吸收率更好的内生对比源。但是，在通常情况下，活体细胞的折射率差异是非常微弱的，这就需要对光信号进行调制来提高成像对比度。

通常，相衬显微镜采用一个使零频衰减同时相移90°的位相板进行空间滤波，将物体的位相结构转换成像平面上的光强分布。微分干涉差显微镜采用两个渥拉斯顿棱镜使两束光在不同时间经过样品的相邻部位，由于样品的厚度和折射率不同，引起两束光发生光程差，从而将样品中的微小差别转化成图像的明暗区别。这两种显微技术利用干涉技术来提高图像对比度，将细胞内折射率差异引起的透射光的相位变化转换成强度分布。但是，这些技术提供的不是定量的相位变化图。定量相位显微镜通过对参考光束进行调制，使得样本光束和参考光束之间产生相移，再对两光束进行干涉来测量样本微小的折射率差异。而近年来发展的相位显微技术已经可以定量的记录由样本引起的相位延迟。但是相位延迟正比于折射率与路径长度的乘积，更一般的讲是折射率与光学系统点扩散函数的卷积。因此，这些技术仅可以提供细胞的平均折射率参数或者细胞的厚度，而没有细胞的详细的三维结构。

最近几年，在定量相位显微技术的基础上，很多研究小组已经开发了能够测量生物细胞三维折射率分布的多种新型显微镜技术，如断层相位显微镜、STPM(syntheticaperture tomographic phase microscopy，合成孔径层析相位显微镜)、DHM(digitalholographic microscopy，数字全息显微镜)、OSH(optical scanning holography，光学扫描全息显微镜)等。这些显微镜技术的共同策略是采用计算机断层扫描仪多角度采集吸收系数投影数据的方式，记录不同角度的相位投影数据，从而重建出生物细胞的三维折射率分布。这些新型的显微镜技术具有比传统光学显微镜更高的精度和空间分辨率，并且能够得到样品的三维定量结构信息。

传统的三维断层相位显微镜利用滤波反投影法来进行重建。滤波反投影重建具有重建速度快、空间和密度分辨率高等优点。但缺点是对投影数据的完备性要求较高，从数学上讲。只有获得被检试件所有的Radon变换数据(完全投影数据)后才能精确重建其切片图像。同时成像系统的几何象差，成像环境引入的噪声，以及CCD的不均匀性都会造成重建图像分辨率下降，边缘模糊等问题。

发明内容