[发明专利]一种全切片数字成像单次拍照快速准焦复原方法

说明书

本发明基于生物医疗仪器领域，具体涉及一种全切片数字成像单次拍照快速准焦复原方法，主要设计了单次拍照虚拟自准焦网络；病理扫描仪先预扫描病理切片视场中间的一个图像块，通过轴向移动构建轴向三维图像堆栈，通过评价函数找到初始准焦图像；在预测准焦距离下，对所有子图像进行单次拍照，获得单次拍照试探性离焦图像，作为网络输入；网络的输出为复原的准焦图像；通过单张图像的端对端网络设计，本方法实现了全切片数字成像下单次拍照的准焦图像快速复原，取代了传统的先距离补偿，后拍照的自准焦方法。同时，在扫描策略上，不需构建准焦测量图以及准焦扫描拍照，具有速度快、成本低、可线下处理等优点。

技术领域

本发明基于生物医疗仪器和计算成像领域，以深度学习技术为核心，具体涉及一种全切片数字成像单次拍照快速准焦复原方法，可广泛适用于显微仪器、人工智能、医疗影像和自动化等领域的研究。

背景技术

近年来，先进的数字病理学成像技术得到了广泛的研究与应用。全切片数字成像技术(WSI，Whole Slide Images)，即虚拟显微术，可以将传统的显微切片以数字化图像形式采集，能够实现任意电脑访问，容易存储，以及科研工作者和医生之间的异地传输等。全切片数字成像技术在生物成像研究中至关重要，如在癌症分析和疾病预测等领域中。目前美国食品药品管理局已经采用飞利浦公司的全切片数字成像系统作为主要的病理分析手段。

全切片数字成像通常需要两步实现：(1)按子区域顺序扫描病理图像，然后再将其拼接一起产生完整的全视场的病理切片图像；(2)采用特制的软件来识别分析这些数字图像。其中，第一步对于获取的图像质量至关重要。目前，全切片数字成像技术中存在的挑战主要为如何快速产生高质量的准焦图像。通常来说，全切片扫描需要一个高分辨率和微米级长度景深的物镜，其因系统扫描过程中获得的样品三维分布不均，从而导致了离焦现象。这种离焦现象是导致全切片数字成像效果退化的主要原因。

目前，一种广泛应用的方法是采用准焦图匹配的方法来获得高质量的全切片数字图像。准焦图匹配方法提供一个准焦先验，对于每个位置的离焦图像，可以通过沿光轴移动病理样品获得不同准焦距离下的系列离焦图像(z-stack)，最后通过每张离焦图像的图像对比度最大化或者其他的图像质量评价方法来确定对应的准焦图像。这种方法需要对每个顺序扫描的子区域逐个使用。然而，这种方法因为重复的轴向测量导致成像速度大大减慢。对于其他方法，如采用双相机装置可以实现自准焦功能，避免了病理图像的轴向逐层扫描。但是，这种方法在传统的显微仪器中因硬件不兼容和成本高昂等问题，所以并不适用添加新的成像模块。在当前的相关研究中，全切片数字成像系统主要集中在对准焦距离的高精度预测上，目前还未有相关研究对离焦图像进行准焦复原。

离焦图像的准焦复原可以改变传统病理扫描仪的扫描策略。对于传统的病理扫描方法，首先，扫描仪扫描每个图像块时，需要构建轴向图像三维堆栈，通过最大化对比度等评价函数，找到准焦图像，并记录准焦位置；其次，对于其他不同位置的图像块，采用逐块扫描的方法，每个图像块均执行获取准焦位置的流程；然后，将整个病理图像不同图像块对应的准焦距离，按位置整合成准焦测量图；最后，按照准焦测量图的坐标位置和准焦距离，移动显微镜物镜进行距离补偿并扫描拍照，获得完整的病理数字图像。传统扫描方法因为需要构建大量的轴向三维图像堆栈以及必要的轴向机械位移，不可避免地消耗大量的时间成本。因此，寻找新的方法对离焦图像进行复原，设计新型扫描仪扫描策略，具有重大的科学研究意义与临床应用价值。

发明内容