一种三维生物样品的三维显微图像的重构方法与流程

本发明涉及生物图像处理，特别涉及一种三维生物样品的三维显微图像的重构方法、电子设备以及存储介质。

背景技术：

1、由于3d显微镜技术在过去几十年中的稳步发展，大型数据集的采集不再是大型标本分析的限制因素。双光子显微镜等最新技术扩展了共聚焦显微镜透过较厚组织成像的能力，而通过转盘或狭缝扫描共聚焦显微镜可以实现快速的采集。此外，物镜在整个视场范围内提供了几乎无失真的图像。通过依次将显微镜载物台移动到新位置(与之前的位置部分重叠)并对样本进行高分辨率3d局部成像来获取切片。例如，本发明中使用的大样品高速荧光显微成像系统(blockface-visor)，能以1×1×2.5μm3体素的分辨率完成对三维大尺度生物样品(例如实验用的小鼠)全身成像。相比于共聚焦显微镜和双光子荧光显微镜，blockface-visor的成像速度提高了几百倍至上千倍，是解析生物结构和功能的利器。blockface-visor按照“s”轨迹扫描三维大尺度生物样品，单次扫描可以获得样本顶层的600～700微米厚度的图像数据；在单次扫描完成后，切片机沿水平方向切掉400微米厚度的样本，然后进行下一次扫描。由于三维大尺度生物样品全身成像的特性，相邻的两个切片的图像数据拥有重叠的图像区域，重叠的厚度是200～300微米。为了获得三维大尺度生物样品的全景视图和高分辨率成像，需要高速荧光显微成像的重构算法将多个图像数据精准地拼接。但是blockface-visor成像过程会带来多个问题：例如，切片机切割样本会对样本表面造成非刚性形变；由于垂直方向的位移误差，每对相邻切片的重叠区域的厚度会不同；由于激光穿过样本会有衰落，单个切片数据内的亮度不均一，靠近光源部分的图像数据更亮更清晰，不一致的数据亮度给重构带来了困难。

2、此外，现有的工具要么无法直接用于blockface-visor的三维大尺度生物样品的全身数据的重构，要么缺乏针对切片间重叠数据的配准方法。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种三维生物样品的三维显微图像的重构方法、电子设备以及存储介质，以期至少能够解决上述问题之一。

2、根据本发明的第一个方面，提供了一种三维生物样品的三维显微图像的重构方法，包括：

3、利用显微成像技术获取三维生物样品的三维图像数据集，其中，三维生物样品的三维图像数据集包括多个三维原始切片数据，每个三维原始切片数据包括多个图像数据块；

4、利用基于归一化互相关信息的刚性配准算法，对每个三维原始切片数据内的图像数据块进行片内配准和拼接，得到多个三维标准切片数据；

5、利用子区域采样方法对每个三维标准切片数据进行图像数据块的采样，从每个三维标准切片数据中得到多个子图像数据块，并对多个子图像数据块进行序号标记；

6、利用基于归一化互相关信息的位移配准算法，对相邻的三维标准切片数据中具有相同标记的子图像数据块进行配准，得到配对的子图像数据块的位移参数；

7、利用配对的子图像数据块的位移参数，通过插值方法进行参数拟合，得到每个三维标准切片数据的上表面形变场；

8、基于每个三维标准切片数据的上表面形变场，得到相邻的三维标准切片数据之间互相匹配的上下表面数据，并利用非刚性形变方法对相邻的三维标准切片数据进行片间的表面图像配准，得到片间配准二维形变场；

9、利用线性插值方法将片间配准二维形变场扩展成三维形变场，并将扩展所得的三维形变场应用到三维生物样品的三维图像数据集上，进而实现对三维生物样品的三维数据重构。

10、根据本发明的实施例，上述利用显微成像技术获取三维生物样品的三维图像数据集包括：

11、利用大样品高速荧光显微成像系统按照预设的扫描模式对三维生物样品进行逐行连续扫描，得到每行具有预设样本厚度的三维图像块；

12、对三维生物样品完成整个平面扫描后，按照预设的切片厚度，利用切片机对每行具有预设样本厚度的三维图像块进行样本切片；

13、重复进行逐行连续扫描操作、样本切片操作，直到完成对三维生物样品的整体扫描，得到三维生物样品的全部三维图像数据集。

14、根据本发明的实施例，上述利用基于归一化互相关信息的刚性配准算法，对每个三维原始切片数据内的图像数据块进行片内配准和拼接，得到多个三维标准切片数据包括：

15、对于三维原始切片数据内的相邻的两个图像数据块，将第一个图像数据块作为固定图像数据块，将第二个图像数据块作为运动图像数据块，并初始化刚性配准算法的参数矩阵，其中，刚性配准算法的参数矩阵包括旋转中心、旋转矩阵和位移矩阵；

16、利用刚性配准算法的参数矩阵得到形变后的运动图像数据块，并计算形变后的运动图像数据块与固定图像数据块之间的归一化互相关信息；

17、利用自适应梯度下降算法更新刚性配准算法的参数矩阵进而最小化归一化互相关信息，并基于更新后的刚性配准算法的参数矩阵，对三维原始切片数据内的图像数据块进行拼接操作，得到三维标准切片数据。

18、根据本发明的实施例，上述利用子区域采样方法对每个三维标准切片数据进行图像数据块的采样，从每个三维标准切片数据中得到多个子图像数据块包括：

19、获取经过片内拼接操作后三维标准切片数据中每个图像数据块的切片厚度，并根据预设的图像数据块厚度值，计算三维标准切片数据内每个图像数据块的重叠区域的厚度；

20、根据预定义的采样间隔和采样尺寸，从预定义的初始参考图像数据块的位置开始以预定义的采样间隔对三维标准切片数据中的图像数据块进行采样，得到多个具有预定义的采样尺寸的子图像数据块。

21、根据本发明的实施例，上述利用基于归一化互相关信息的位移配准依据，对相邻的三维标准切片数据中具有相同标记的子图像数据块进行配准，得到配对的子图像数据块的位移参数包括：

22、在相邻的三维标准切片数据中，将第一个三维标准切片数据的子图像数据块作为固定子图像数据块，并将第二个三维标准切片数据中与固定子图像数据块具有相同标记的子图像数据块作为运动子图像数据块；

23、利用归一化互相关信息和自适应梯度下降算法，计算固定子图像数据块和运动子图像数据块之间的位移参数。

24、根据本发明的实施例，上述利用配对的子图像数据块的位移参数，通过插值方法进行参数拟合，得到每个三维标准切片数据的上表面形变场包括：

25、将运动子图像数据块的中心点作为插值方法的控制点，将配对的子图像数据块的位移参数设置为插值方法所需要拟合的位移值，并利用插值方法所用到的插值函数拟合每个三维标准切片数据的上表面形变场。

26、根据本发明的实施例，上述基于每个三维标准切片数据的上表面形变场，得到相邻的三维标准切片数据之间互相匹配的上下表面数据，并利用非刚性形变方法对相邻的三维标准切片数据进行片间的表面图像配准，得到片间配准二维形变场包括：

27、基于每个三维标准切片数据的上表面形变场，得到的三维标准切片数据的二维上表面图像，并将相邻的上一个三维标准切片数据的底面作为二维下表面图像；

28、利用非刚性形变方法对三维标准切片数据中的二维上表面图像和相邻的上一个三维标准切片数据中的二维下表面图像进行片间的表面图像配准，得到片间配准二维形变场。

29、根据本发明的实施例，上述利用线性插值方法将片间配准二维形变场扩展成三维形变场，并将扩展所得的三维形变场应用到三维生物样品的三维图像数据集上，进而实现对三维生物样品的三维数据重构包括：

30、利用线性差值方法对片间配准二维形变场在垂直方向上进行扩展，得到相邻的三维标准切片数据的三维形变场；

31、利用三维形变场对每个三维标准切片数据进行形变，并将有片间拼接的三维标准切片数据进行合并，使得相邻的三维标准切片数据的上下表面的细胞和组织结构是连续的，进而得到三维生物样品重构后的三维图像。

32、根据本发明的第二个方面，提供了一种电子设备，包括：

33、一个或多个处理器；

34、存储装置，用于存储一个或多个程序，

35、其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行三维生物样品的三维显微图像的重构方法。

36、根据本发明的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行三维生物样品的三维显微图像的重构方法。

37、本发明提供的上述三维生物样品的三维显微图像的重构方法利用插值方法、刚性变换方法和非刚性形变方法，实现了高精度图像拼接；并在图像拼接的过程中，可以准确对齐不同切片的图像，减少了图像之间的不连续问题，从而提供了高质量的三维图像。同时，本发明在相邻切片之间采用位移配准，可以克服由垂直方向的位移误差引起的重叠区域厚度不一致问题，这提高了不同切片之间的连续性和一致性；然后，通过使用插值和非刚性形变算法，能够有效地克服由切片机切割样本引起的非刚性形变，这使得相邻切片之间的图像可以更准确地匹配。本发明将相邻切片的图像数据成功拼接和重构，获得了三维生物样品的高分辨率三维数据；高速荧光显微成像的重构算法可以大幅提高研究效率，使得本领域技术人员更快地获得高质量的图像数据，以深入研究生物过程和细胞组织结构，有助于推动生命科学领域的研究进展。