反卷积荧光显微成像技术

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1、反卷积荧光显微成像技术白如星89期七年制5班指导教师：崔泽实摘要:反卷积荧光显微技术提高了光学显微镜的分辨率，是对活体细胞低漂白、低毒性荧光观测的有效方法。本文简要介绍了荧光显微镜、摄像及图像处理系统的组成，通过讨论反卷积显微成像技术的基本数学原理，介绍反卷积显微成像技术的医学实验中的应用。关键词:反卷积；荧光显微成像;去模糊传统的荧光显微镜由于其焦平面外信息的干扰造成图像质量差。近年来，由于光学仪器制造技术的进步，使图像分辨率有所提高，其典型代表即为激光共焦扫描显微成像技术以及CCD视频摄像机。同时，借助计算机进行图像处理与分析技术的进

2、展，特别是反卷积算法，的发展也使光学显微镜能够更好的发挥其作用。这两种方法在改善图像质量的作用上各有其优势。激光共焦显微镜能够方便、实时、清晰地显示物像。应用反卷积技术时，需要对所得图像进行反卷积图像复原计算，成像质量较差，在时间上具有一定滞后性。然而相比激光共焦显微技术，反卷积技术除了具有硬件结构简单、价格较低等优势之外，还具有[1]对生物样本低漂白、低毒性这一重要特点。我们可以利用这一特点对活体细胞进行动态观察。一﹑荧光显微镜及摄像系统[2]荧光显微镜有透射照明型和落射照明型两种透射照明型荧光显微镜的激发光经暗场聚光镜达被检标本的下方

3、，不进入物镜；而产生的荧光进入物镜。其效果低倍镜下明亮，高倍暗，不适于观察非透明标本。落射型又称反射型荧光显微镜的激发光从物镜与目镜间的镜筒进入经物镜照射到标本上产生的荧光再反射给物镜观察，适于透明及非透明标本。近代荧光显微镜多属此类。图1落射式荧光显微镜及摄像系统照明系统光路中的激发滤色镜和中间镜，是为了适合于被观察的荧光色素光谱的激发光而制作的。激发滤色镜是只从高压汞灯光谱中选取被观察的荧光色素所需的激发光波段的滤色镜;中间镜是反射短于激[3]发光波长的光、可透过长于激发光波长的长波光的滤色镜。被中间镜反射的激发光集中于物镜,通过它的

4、照射和激发而发生荧光。插入于成像系统的吸收滤色镜是只将观察时所必须的荧光提取出来的滤色镜。从标本发出的荧光和在标本面上反射出来的激发光经物镜而到达中间镜。中间镜反射掉对于观察所不需要的激发光(即短波长的光),使长波长的荧光透过。继而通过吸收滤色镜排除残留的激发光或不用的光,只有目的地提取根据观察目标所需的荧光。摄像及显示系统与显微镜的连接可如上图所示。在计算机中可安装与摄像机像适应的软件进行图像显示、复原、分析、三维重建。二﹑反卷积图像复原技术[8]运用反卷积算法对图像进行去噪、去模糊等复原处理，需要建立物体成像模型。图2成像及复原模式图

5、在上图中，FxyI(,)是用来表征源图像某一属性的函数，可为图像的光强度等信息。空间图像退化环节表示，源图像在成像过程中由于焦点面各点之间相互干扰以及焦面外的点对焦面上点的干扰而造成的模糊，这一过程可用FxyHxy(,)∗(,)表示。符号“*”表示卷积运算，Hxy(,)表示模糊冲激响应。Nxy(,)IDD表示成像及拍照过程中由于测量误差或不确定因素，而造成的图像退化，此类模糊退化称为噪声。FxyFxyHxyNxyO(,)=∗+(,)(,)(,)，表示成像系统所成的像，称为抽样图像。反转滤波器环节表示ID对抽样图像进行去噪，去模糊处理，最后

6、得到复原后图像Fxy(,)。RFRID(,)xy=∗+∗[FxyHxyNxy(,)(,)(,)]HxyR(,)------------（1）HxyR(,)，称为这一滤波器的冲激响应或点扩展函数（PSF）。[4]在成像及图像复原过程中，虽然都是做卷积运算。但由于卷积运算是一种积分运算，操作不方便，具体运算时一般都把要做卷积运算的函数进行傅立叶变换，比如FIxy()(ωω,=+∫∫FxyI,)(exp{-ixωxωyydxdy)}RR•相应如果FRxy(,)ωωω,(,)HHDxyωω,(,)`xyωω,(,)Rxyω分别表示FxyHxyNx

7、yHxyRD(,),(,),(,),(,)R的傅立叶变换（亦称为其频谱函数，其中HD(,)ωxωy又[4]称为模糊传递函数HR(,)ωω又称为滤波器的传递函数），则根据傅立叶变换的卷积定理，（1）式可写xy为FFR(,)xy=+⎡⎤⎣⎦Ixy(,)(,)(,)(,)ωωωi`HHDxyωωxyωωRxyω------（2）此时，只要对F(,)xy进行傅立叶反变换，即可得到复原后图像Fxy(,)。RR（一）维纳滤波器2在选择适当HxyR(,)，即HR(,)ωxωy时考虑使SEFxyFxy=−{[]1(,)R(,)}达到最小,考虑到噪声成[5

8、]分W(,)ωω及源图像各像素点之间的联系W(,)ωω则NxyFIxy∗H(,)ωωDxyHR(,)ωωxy=-----------------（3）2W(,)ωωNxyHD(,)ωω+xyW