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原文传递一种双光子荧光成像方法、系统及图像处理设备

专利名称：	一种双光子荧光成像方法、系统及图像处理设备
摘要：	本发明适用于双光子荧光技术领域，提供一种双光子荧光成像方法、系统及图像处理设备，通过依次对入射的两个脉冲光束进行波前整形，得到在物镜的焦点处的光场为梯度光场的两个光束，并使两个光束的梯度光场的光强分布相反，然后依次通过两个光束对待测样品进行扫描得到两幅图像，并根据两幅图像进行三维数据重建，得到待测样品的三维深度图像，成像速度快、分辨率高且算法简单，易于实现，并且由于成像速度快，有效降低了对待测样品的光损伤和光漂白作用，尤其适用于对胚胎发育样品和神经活动样品进行三维成像。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	中国科学院深圳先进技术研究院
发明人：	高玉峰;郑炜
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910245483.4
公开号：	CN110006861A
代理机构：	深圳中一专利商标事务所
代理人：	曹小翠
分类号：	G01N21/64(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	518000 广东省深圳市南山区深圳大学城学苑大道1068号
主权项：	1.一种双光子荧光成像方法，其特征在于，应用于双光子荧光成像系统，所述双光子荧光成像方法包括：对入射的第一脉冲光束进行波前整形，得到第一光束；其中，所述第一光束在所述双光子荧光成像系统的物镜的焦点处的光场为第一梯度光场，所述第一梯度光场的光强分布沿z轴呈梯度变化，z轴方向为待测样品的深度方向；通过所述第一光束扫描待测样品，得到第一图像；对入射的第二脉冲光束进行波前整形，得到第二光束；其中，所述第二光束在所述物镜的焦点处的光场为与所述第一梯度光场的光强分布相反的第二梯度光场；通过所述第二光束扫描待测样品，得到第二图像；根据所述第一图像和所述第二图像进行三维数据重建，得到所述待测样品的三维深度图像。 2.如权利要求1所述的双光子荧光成像方法，其特征在于，对入射的第一脉冲光束进行波前整形，得到第一光束，包括：对入射的第一脉冲光束的偏振方向进行旋转，得到预设偏振方向的第一偏振光束；对所述第一偏振光束进行空间相位调制，得到第一预设相位的第一光束；对入射的第二脉冲光束进行波前整形，得到第二光束，包括：对入射的第二脉冲光束的偏振方向进行旋转，得到预设偏振方向的第二偏振光束；对所述第二偏振光束进行空间相位调制，得到第二预设相位的第二光束。 3.如权利要求2所述的双光子荧光成像方法，其特征在于，对入射的第一脉冲光束进行波前整形，得到第一光束之前，包括：设计光强沿z轴分布的第一焦点；其中，所述第一焦点处的光场为第一梯度光场；设计光强沿z轴分布的第二焦点；其中，所述第二焦点处的光场为第二梯度光场；将所述物镜的入瞳分割为预设数量个面积相等的圆环；将所述预设数量个面积相等的圆环的相位的组合，作为所述入瞳的相位函数；根据所述入瞳的相位函数，计算每个所述圆环的相位函数对应的焦点处的光场；利用遗传算法寻找与所述第一梯度光场最相似的光场对应的相位，作为第一预设相位；利用遗传算法寻找与所述第二梯度光场最相似的光场对应的相位，作为第二预设相位。 4.如权利要求3所述的双光子荧光成像方法，其特征在于，根据所述相位函数，计算每个所述相位函数对应的焦点处的光场的计算公式为：其中，θ是光线的汇聚角度，P(θ)是入瞳的相位函数，α是θ的最大值，k＝2π/λ是波数，NA为物镜的数值孔径，n为物镜的浸润介质，λ为光线的波长，z是z轴位置信息。 5.如权利要求1～4任一项所述的双光子荧光成像方法，其特征在于，根据所述第一图像和所述第二图像，对所述待测样品进行三维数据重建，得到所述待测样品的三维深度图像，包括：分别对所述第一图像和所述第二图像进行最大值归一化处理；对进行最大值归一化处理后的所述第一图像和所述第二图像进行强度信息提取，得到强度图像；设置强度阈值对所述强度图像进行强度信息提取，得到有效信息区域；提取所述有效信息区域的z轴位置信息，得到与所述强度图像的像素大小相同的位置矩阵；对所述位置矩阵中的z轴位置信息进行排序，并根据排序结果选择取值范围对所述位置矩阵进行归一化处理；将所述强度图像中的强度信息和进行归一化处理后的所述位置矩阵中的z轴位置信息编码到同一图像中，得到所述待测样品的三维深度图像；其中，所述Z轴位置信息编码为不同颜色，所述强度信息编码为色彩饱和度。 6.一种双光子荧光成像系统，其特征在于，包括：波前整形模组，用于对入射的第一脉冲光束进行波前整形，得到第一光束；光子荧光显微镜，用于通过所述第一光束扫描待测样品，得到第一图像；其中，所述第一光束在所述双光子荧光显微镜的物镜的焦点处的光场为第一梯度光场，所述第一梯度光场的光强分布沿z轴呈梯度变化，z轴方向为待测样品的深度方向；所述波前整形模组还用于对入射的第二脉冲光束进行波前整形，得到第二光束；其中，所述第二光束在所述物镜的焦点处的光场为与所述第一梯度光场的光强分布相反的第二梯度光场；所述双光子荧光显微镜还用于通过所述第二光束扫描待测样品，得到第二图像；图像处理设备，用于根据所述第一图像和所述第二图像进行三维数据重建，得到所述待测样品的三维深度图像。 7.如权利要求6所述的双光子荧光成像系统，其特征在于，所述波前整形模组包括：半波片，用于对入射的第一脉冲光束的偏振方向进行旋转，得到预设偏振方向的第一偏振光束；空间光调制器，用于对所述第一偏振光束进行空间相位调制，得到第一预设相位的第一光束；所述半波片还用于对入射的第二脉冲光束的偏振方向进行旋转，得到预设偏振方向的第二偏振光束；所述空间光调制器还用于对所述第二偏振光束进行空间相位调制，得到第二预设相位的第二光束。 8.如权利要求7所述的双光子荧光成像系统，其特征在于，所述图像处理设备与所述空间光调制器通信连接，所述图像处理设备包括：第一设计模块，用于设计光强沿z轴分布的第一焦点；其中，所述第一焦点处的光场为第一梯度光场；第二设计模块，用于设计光强沿z轴分布的第二焦点；其中，所述第二焦点处的光场为第二梯度光场；分割模块，用于将所述物镜的入瞳分割为预设数量个面积相等的圆环；组合模块，用于将所述预设数量个面积相等的圆环的相位的组合，作为所述入瞳的相位函数；计算模块，用于根据所述入瞳的相位函数，计算每个所述圆环的相位函数对应的焦点处的光场；第一寻找模块，用于利用遗传算法寻找与所述第一梯度光场最相似的光场对应的相位，作为第一预设相位并输出至所述空间光调制器；第二寻找模块，用于利用遗传算法寻找与所述第二梯度光场最相似的光场对应的相位，作为第二预设相位并输出至所述空间光调制器。 9.如权利要求6～8任一项所述的双光子荧光成像系统，其特征在于，所述图像处理设备包括：归一化处理模块，用于分别对所述第一图像和所述第二图像进行最大值归一化处理；第一提取模块，用于对进行最大值归一化处理后的所述第一图像和所述第二图像进行强度信息提取，得到强度图像；第二提取模块，用于设置强度阈值对所述强度图像进行强度信息提取，得到有效信息区域；第三提取模块，用于提取所述有效信息区域的z轴位置信息，得到与所述强度图像的像素大小相同的位置矩阵；排序模块，用于对所述位置矩阵中的z轴位置信息进行排序，并根据排序结果选择取值范围对所述位置矩阵进行归一化处理；编码模块，用于将所述强度图像中的强度信息和进行归一化处理后的所述位置矩阵中的z轴位置信息编码到同一图像中，得到所述待测样品的三维深度图像；其中，所述z轴位置信息编码为不同颜色，所述强度信息编码为色彩饱和度。 10.一种图像处理设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求3至5任一项所述方法的步骤。
所属类别：	发明专利