激光扫描共聚焦显微镜图像分析与三维重建

摘要

激光扫描共焦显微镜在生物医学和材料科学的研究中日益受到重视，它以一种非侵入式的、对活体无损伤的检测手段，得到了多方面的欢迎和越来越广泛的灵活应用。医学领域中的激光扫描共聚焦显微镜可以在细胞水平上做多种功能的分析研究， LSCM与普通光学显微镜相比优点明显，分辨率、灵敏度、放大率和荧光检测信噪比都大大提高。对活细胞可以做分层扫描，进行三维重建和测量分析后，对细胞内微细结构的动态变化可进行定性、定量、定时和定位分析检测，可通过荧光标记检测细胞内离子浓度的变化比例及动态变化。因此LSCM是细胞神经生物学和生理学，药物学及遗传学等生物医学领域的新一代研究工具。在对有机组织分层扫描后得到的“光学切片”经过三维重建后，能够测量分析出细胞形态参数和荧光强度等等。 本文通过图像插值、图像复原和三维重建三个方面的研究来最终建立LSCM图像序列的三维模型。由于序列切片图像上像素之间的间隔小于切片之间的距离，必须使它们具有一致的分辨率、即达到各向同性才能应用于三维重建。经过对多种插值算法的研究，最终确定了一种既可以保持相邻切片的图形过渡自然，又有良好的数据稳定性的插值方法。对于激光扫描共焦显微镜图像序列中存在的噪音问题，提出了一种自适应亮度补偿的方法来改进激光扫描共聚焦显微镜图像，实践证明通过这种方法可以提高序列图像的亮度连续性和视觉效果，可以更好的获取图像中的信息。在此基础上，又提出了一种基于分析图像的二维傅立叶频谱的检测方法。在此之后，将三维重建算法应用于神经突触和在体皮肤的图像序列得到了效果良好的三维模型。最后，我们对下一阶段的工作进行了展望。