[发明专利]基于多层全息重建与聚焦策略的细胞群空间分布构建方法

说明书

本发明涉及一种基于多层全息重建与聚焦策略的细胞群空间场分布情况的构建方法，属于数字全息成像应用领域。该方法包括：设定重建的起始距离、终止距离以及各层步长，逐层重建并记录各层重建情况；对于某一层重建图像进行灰度统计，使用对数正态分布拟合曲线的曲率极值设置灰度阈值并结合形态学处理手段提取目标物区域；建立细胞聚焦判断函数，并经过相邻层间同一细胞成像质心的跟踪匹配后，添加聚焦最佳处的深度信息，构成细胞所处的空间位置；分别计算一幅全息图中各个细胞的聚焦深度和对应层重建图中的水平面质心投影，构建出细胞群的空间分布。本发明为多幅全息重建追踪多细胞运动轨迹奠定了重要基础，且普适于非细胞微观物体的观察测量。

技术领域

本发明属于数字全息成像应用领域，涉及一种基于多层全息重建与物体聚焦策略的细胞空间场分布构建方法。

背景技术

在实际光学显微观察过程中，由于样本往往具有一定的厚度，于是细胞的分布不仅具有平面投影的二维位置信息，还带有纵向深度位置信息。细胞的活性强弱、是否凋亡、贴壁与否均会使之产生空间分布差异。此外光学显微镜的聚焦面分布在一个极窄的范围内，难以保证视野下所观测细胞同时得到良好的对焦。即便经过反复调焦操作，观察人员往往也很难对大范围的细胞空间分布有直观的了解。

数字全息是近年来新兴的一种精度可达微米级别的成像方法，可由CCD等光学元器件直接记录获取样本图像，具有全视场、非接触、无损伤、实时性、定量化的优点。加之无需对样本染色即可清晰成像，故特别适合于活体生物样品的定量三维重建和快速跟踪，得以在生物医学应用领域尤其是细胞培养观测中发展迅速。

全息图的最大优点在于其自身作为二维图像，但借助光的干涉、衍射作用，加以记录距离、参考光波长等要素，能够重建出目标物体在空间光场的三维分布信息。与光学显微成像离焦、聚焦过程所类似的，通过改变重建距离，物体的成像情况亦会随之改变，而成像效果最佳也就是物体得到聚焦的位置，其对应了物体距离成像面的距离，反映了物体的深度信息。

由于当物体得到良好聚焦时，重建图的整体灰度亮，物体所占面积相对最小(几乎等于实际尺寸所对应像素点数)，用以表征物体的像素点灰度相对最低。借此可以选为重要特征构建聚焦判据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多层全息重建与聚焦策略的细胞群空间分布构建方法，构建出样本区域中细胞群的三维分布情况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于多层全息重建与聚焦策略的细胞群空间分布构建方法，首先根据实际样本需要设定重建的起始距离、终止距离以及各层步长，逐层重建并记录各层重建情况；对于某一层重建图像进行灰度统计，使用对数正态分布拟合曲线的曲率极值设置灰度阈值并结合形态学处理手段提取目标物或细胞区域；通过统计目标物重建后的平均灰度、占据面积以及该层重建后全息图平均灰度值，建立细胞聚焦判断策略，并经过相邻层间同一细胞成像质心的跟踪匹配后，添加聚焦最佳处的深度信息就构成了细胞所处的空间位置；当一幅全息图中囊括了多个细胞时，分别计算得到各个细胞的聚焦深度以及对应层重建图中的水平面质心投影，就构建出了样本区域中细胞群的三维分布情况。

该方法具体包括以下步骤：

S1：读入待重建全息图，进行预处理；

S2：设置多层重建起始重建距离、终止重建距离以及层间步长；根据具体所使用的记录光波，设置重建波长lamda；

S3：按照所设置重建条件，逐层对图像完成重建，并对各层重建结果加以记录；

S4：对某一层重建图像进行像素灰度统计，并使用对数正态分布拟合灰度统计曲线，依据曲线曲率极值设置灰度阈值，完成图像二值化，提取目标物或细胞大致区域；

S5：结合空域灰度信息，使用形态学手段将二值图像进一步精确，使之尽可能贴合于物体在该层重建后的物像分布，去除非物体的干扰区域；