三维点扩散函数与图像复原关系模型及优化选取方法

数字共焦显微技术在对从生物光学显微镜采集的细胞序列光学切片图像进行复原处理时，显微镜光学系统的三维点扩散函数(3D-PSF)空间大小和空间密度的选取越大，复原效果越好，但复原速度越低。本课题组的初步实验表明，3D-PSF的不同选取和图像复原存在某种非线性关系。但为何种函数关系，在一定的复原效果和复原速度的要求下如何选取3D-PSF，迄今国内外尚无报道。本项目将采用计算机仿真和实际生物细胞实验相结合的方法，研究揭示显微镜光学系统3D-PSF空间大小和密度与复原效果和速度之间的函数关系，建立相应的数学模型和自动优化选取模型和方法，提高3D-PSF选取的科学性和确定性，为三维显微图像复原算法的研究以及光学切片图像采集和处理的应用提供3D-PSF选取的理论依据和选取方法。本项目的开展，将进一步深化三维显微图像复原方法的研究和促进数字共焦显微技术的推广应用。

数字共焦显微技术是上世纪90年代逐渐形成的一项新型显微技术，该技术以传统生物光学显微镜为基础，以光学切片方式采集序列显微图像，采用三维显微图像复原方法进行去卷积复原处理，提高图像分辨率，分辨率可以达到甚至超过激光共焦扫描显微技术的水平。三维显微图像复原方法是该技术的核心。.三维点扩散函数(3D-PSF)的研究是三维显微图像复原方法研究的重要内容。在3D-PSF获得正确估计的情况下，其空间大小选取越大，复原效果越好，同时处理的时间越长。由于3D-PSF的大部分能量集中在中部的双锥体锥顶附近区域，因此目前研究者们在进行图像复原研究时，只选取3D-PSF中部的一小部分空间区域，从而舍去3D-PSF周围大部分能量稀少区域。目前这样的选取有相当的随意性，在何种复原效果或速度要求的情况下选取何种空间大小和密度的3D-PSF，没有明确的方法。为了实现3D-PSF空间大小和密度的优化选取，提高选取时的理论依据和确定性，本项目采用计算机仿真和实际生物细胞实验相结合的方法，研究揭示显微镜光学系统3D-PSF空间大小和密度与复原效果和速度之间的函数关系，建立相应的数学模型和自动优化选取方法。. 本项目的主要研究工作和所取得的研究成果：.（一）3D-PSF的空间大小和密度与复原的函数关系与数学模型.1. 物镜移动方式下3D-PSF图像复原误差问题.研究表明，固定载物台移动物镜方式引起点扩散函数的误差非常小，对图像复原造成的影响也非常微弱，可以忽略不计。.2. 3D-PSF与图像复原关系及数学模型.获得了相同空间大小3D-PSF层数（层距）与图像复原关系，建立了相应的关系模型.3. 显微成像系统3D-PSF的能量分布及能量比空间分布模型.获得了3D-PSF的能量分布规律，获得了不同放大倍数物镜3D-PSF空间结构，建立了基于3D-PSF能量比空间分布模型.（二）3D-PSF选取方法的建立. 建立了以下三种3D-PSF空间大小选取方法：.1、基于复原效率曲线拐点的3D-PSF空间大小选取方法.2、基于能量分布的最小空间3D-PSF的确定.3. 基于能量分布的3D-PSF选取方法.以上研究成果，将提高3D-PSF选取的科学性和确定性，为深化三维显微图像复原算法的研究以及光学切片图像采集和处理的应用提供理论依据和选取方法，并进一步将促进数字共焦显微技术的推广应用。