基于光学显微镜的三维成像技术

传统研究显微样本三维结构的方法是通过在显微镜下获取其二维图像进行观察和分析的,难以准确理解样本的三维结构.因此,研究显微三维成像理论、三维定量分析技术,具有很高的实用价值和重要的学术意义,该领域的研究也是显微信息学科的研究热点之一.针对不同显微样本的三维成像与处理问题,论文以多种光学数码显微镜作为硬件平台,系统、全面地开展了基于光学显微镜的显微三维成像、处理和分析方法的研究.重点研究了聚焦深度显微三维成像、显微双目立体成像、序列显微光学切片三维成像、连续物理切片显微三维成像测量等关键技术和系统实现.聚焦深度显微三维成像方法为解决显微成像景深有限的问题,研究了各种序列显微图像空域聚焦融合算法,对优选出的改进Laplacian算子图像融合方法,提出了基于深度图去噪处理等的优化改进方案,实现了序列显微图像的有效合成,扩展了显微照相的景深.在此基础上,实现了一套基于聚焦深度的显微三维成像测量显示系统.三维成像实验:以昆虫眼睛图像序列验证三维成像方法.昆虫眼睛图像序列原始图用MOTICDMBl显微镜,4倍物镜,冷光源外照射反射光成像,包括33幅不同聚焦层面的原始图像.三维成像效果达到一定实用要求.双目立体体视显微镜三维成像为改进传统光学体视显微镜实现立体显微三维成像,根据计算机立体视觉原理,提出了一种基于光学数码体视显微镜的显微立体表面成像、测量系统方案.针对该系统特点,提出使用线性标定模型来标定立体视觉系统.为解决光学显微立体图像的匹配问题,从所研究的两种匹配算法中,优选出新序数测度匹配法.基于上述方案和算法,实现了一套基于光学数码体视显微镜的显微立体表面成像、测量软件系统.三维成像实验:以某航空材料断口表面显微三维立体成像为例验证该三维成像方法,材料断口表面显微图像采用本研究设计的双目立体摄像MOTIC K500MBGG体视显微镜,16倍物镜,冷光源外照射反射光成像,包括2幅左、右光路采集的原始图像.三维成像效果达到一定实用要求.序列光学切片显微三维成像为解决显微荧光三维成像去模糊的问题,研究实现了最近邻、线性去卷积和最大期望光学切片去模糊复原方法,分析总结了上述三种算法的性能和优缺点,给出了各算法适用的条件.在此基础上实现了一套序列显微光学切片三维成像系统.三维成像实验:为说明光学切片三维去模糊效果,以Confocal获取的显微荧光细胞三维图像为例,本序列图像由MOTIC集团提供,共16层图像,各层图像上有一些模糊效果,经EM去模糊算法50次迭代,一定程度上去除了模糊效果,然后用体可视化方法显示.显微物理切片三维成像研究了生物组织序列切片图像的三维重建和测量方法,根据连续组织切片的特点,提出用上、下层切片图像间存在的对应结构特征部分作为控制点,采用2次多项式进行几何校正、配准.对当今国内、外体视学界广泛认同的三维粒子测量计数方法一双层切片法(Disector)原理进行了分析,提出在计算机图像分析系统上,设计实现自动双层切片体视测量和三维成像方法.三维成像实验:以大鼠肝门部胆管微血管切片图像序列为例验证该三维成像方法.本序列图像选自与解放军总医院肝胆外科一同合作的"大鼠肝门部胆管微血管的三维重建"实验,总共有16幅经空间配准后的不阿层面的大鼠肝门部胆管微血管厚切片序列图像.三维成像效果满足医学研究需要.     

小鼠骨髓瘤细胞系(Sp2/0—Ag14)及鼠—鼠淋巴细胞杂交瘤细胞系的形态定量比较研究

小鼠骨髓瘤细胞系(Sp2/0—Ag14)是不分泌型的浆细胞样细胞。我们用Sp2/0—Ag14细胞与免疫小鼠的脾细胞融合,建立了抗本周氏蛋白单克隆抗体的杂交瘤细胞系并采用立体计量方法对亲本及杂种细胞进行了形态定量测量。以便探讨细胞形态结构的变化与分泌抗体的关系。从半薄切片上细胞的结构数据,计算出平均细胞的各种三维空间结构参数。在超薄切片上得到了胞浆内结构成分的三维超微结构参数。结果表明:杂种与亲本细胞相比,杂种细胞的体积明显增大;粗面内质网扩张显著;高尔基体小泡的数量有增多的趋势;线粒体平均体积增大。揭示:杂种细胞的分泌能力较强。     

阿霉素干预肾小球足细胞线粒体的超微结构变化

目的:探讨阿霉素干预后肾小球足细胞内线粒体的超微结构变化.方法:小鼠肾小球足细胞系MPC5经体外培养诱导分化后,以0.5μg·mL-1阿霉素分别作用不同时间后收集细胞,进行常规透射电镜样品制备,观察线粒体的超微结构.结果:在药物作用早期,足细胞内部分线粒体呈现浓缩状态,随着药物作用时间延长,线粒体肿胀逐渐明显.结论:在...     

三维反卷积显微成像技术

三维宽场反卷积显微成像技术是应用光学切片方法获取三维标本的二维图像序列,然后通过反卷积图像处理方法进行图像恢复,进而进行三维重建的一种以光学技术和图像处理技术为核心的显微成像方法。本文讲述了光学切片的基本原理,给出了反卷积处理中点扩展函数的理论模型和实验测试方法,然后对现存的反卷积算法做了对比。最后,还对这一领域的发展趋势做了预测。     

一种包含异常处理的粗粒度切片方法

在构造面向对象带有异常处理的系统依赖图的基础上,分析了异常处理结构对程序依赖性的影响.并且为了得到粗粒度程序切片,提出了一种把异常处理结构转化为一个类内部私有方法的有效方法来简化带有异常处理结构的系统依赖图.然后在简化的带有异常处理结构的系统依赖图上利用图可达性算法实现了包含异常处理结构的粗粒度切片.最后,通过一个切片标准对粗粒度切片和细粒度切片进行了比较.结果证明粗粒度切片完全包含细粒度切片,这样就降低了计算切片的复杂度.     

露蜂房蛋白对急性髓细胞白血病患者骨髓单个核细胞超微结构的影响

目的：观察中药露蜂房蛋白(NVP)成份对急性髓细胞白血病(AML)患者骨髓单个核细胞(BMMNC)超微结构的影响。方法：采用体外细胞培养,加入不同浓度露蜂房蛋白成分作用于AML患者BMMNC,培养72h收集细胞,常规制备超薄切片,透射电子显微镜下观察AML患者BMMNC的超微结构。结果：露蜂房蛋白各处理组细胞核染色质浓缩、边集,呈新月形或环状或细胞核碎裂呈块状。线粒体出现空泡样变及髓样变。结论：中药露蜂房蛋白成份有明显诱导AML患者体外培养BMMNC凋亡的作用,并呈现典型的细胞凋亡超微结构改变。     

凋亡神经元线粒体超微结构的形态计量学分析

目的:观察并分析人大脑皮层凋亡神经元线粒体超微结构的形态计量学变化.方法:取21例脑外科手术患者的额叶大脑皮质超薄切片中的正常神经元和凋亡神经元的电镜照片各80张,分为对照组与凋亡组.采用形态计量学方法对两组神经元的细胞体、细胞核、线粒体及细胞质基质灰度进行分析.结果:与正常神经元相比,凋亡神经元线粒体的体密度、面密度、数密度、比膜面明显增大(P＜0.01),比表面无明显改变(P＞0.05),线粒体基质与细胞质基质灰度之差明显增大(P＜0.01).结论:凋亡神经元线粒体未发生明显肿胀或增生,但其内膜和嵴的面积明显增加,基质密度降低.     

胎儿垂体前叶的超微结构

为了阐明人胚胎期垂体前叶细胞的发育状况。收集16～40周胎令的新鲜胎儿17例。将其前叶固定于4％戍二醛液内,1％锇酸后固定,Epon812包埋,超薄切片,JEM—100CXⅡ透射电镜观察。根据观察所见前叶细胞的超微结构特点,我们将胚胎期前叶细胞分成四种类型:未分化型细胞;分化中细胞,已分化细胞及退化中细胞。它们各自的形态结构是:1.未分化细胞、胞体较小,胞质少而电子密度低,细胞器极少,偶见小的线粒体或内质网。核内染色质多呈细沙粒状。核仁较少而小。2.分化中细胞,胞体增大呈多形性,随细胞类型不同,胞质电子密度不一,其共同特点是,细胞器发达,尤其是线粒体和内质网显著增多,粗     

小鼠胚胎干细胞超薄切片的AFM观察

对Balb／c小鼠胚胎干(ES)细胞的超薄切片进行AFM成像，以获得ES细胞内部结构的信息。尝试把AFM作为ES细胞形态学鉴定的一种手段。方法：利用超薄切片技术，将ES细胞样品制成厚约60nm的切片，固定在盖玻片上，用AFM在大气中观察。结果：观察到不同时期的单个ES细胞以及分裂时期ES细胞核中高度盘曲和浓聚的染色体。利用AFM的高分辨成像能力，观察了线粒体亚显微结构，细胞基质和核质的超微结构。     

拉曼光谱技术研究铝胁迫下的土生隐球酵母细胞凋亡

运用激光镊子拉曼光谱技术(LTRS)研究铝胁迫下土生隐球酵母细胞和线粒体拉曼光谱变化。细胞和线粒体中与核酸、蛋白质和脂类相关的特征峰强度随着铝处理浓度和处理时间的增加而逐渐降低,表明细胞凋亡过程中细胞和线粒体内的核酸、蛋白质和脂类生物大分子逐渐减少。线粒体内与细胞色素c(Cyt c)相关的特征峰强度随铝处理浓度增大和处理时间的延长而显著降低,说明线粒体中的细胞色素c释放到线粒体外。线粒体的呼吸峰随着铝浓度的增加和处理时间的延长而降低,说明线粒体的活性不断减弱,能量代谢受阻。因此,拉曼光谱实时监测了铝胁迫细胞凋亡的动态过程及其线粒体的生理生化变化过程,并且揭示了铝诱导土生隐球酵母凋亡过程中线粒体内细胞色素c的释放行为,这些结果有助于了解酸性土壤中铝对生物的毒害机理。     

三维地震数据的可视化

传统的地震数据解释方法是利用地震剖面与水平切片的二维图象显示三维数据,它具有很大的局限性。科学可视化技术的出现使得三维数据三维解释成为可能。将科学可视化技术应用于三维地震数据场,则产生了三维地震数据可视化技术,它主要包括面可视化与直接体绘制两种技术。本文主要研究三维地震数据场的直接体绘制方法——光线投射算法。     

Parametric 3D reconstruction of the distribution density of point objects

The parametric reconstruction method has been developed for solving the problems concerning computer simulation of the 3D distributions of discrete objects, which are commonly specified by the parallel cross sections in the initial point cloud. The role of simulation and the model itself is examined as applied to the visualization of 3D distributions of objects and the analysis of microscopy data. The conceptual prerequisites and particularities of the technical implementation of the proposed method are compared with the lofting technique, which is widespread in modern 3D simulation systems. The peculiarities of method application are demonstrated by the example of reconstruction based on a series of model data.     

旋流火焰三维温度场与速度场的同时激光测量

燃烧诊断与流场显示领域的研究热点已延伸至研发同时满足非侵入式、多参量同步测量、定量计算、多维可视化等技术要求的显示、测量新方法。研究复杂燃烧三维温度场和速度场的同时激光测量,表征燃烧化学反应和流场输运的重要特性。提出一种光偏折层析测温方法与粒子图像测速方法相结合的燃烧多参量场激光测量方法。设计温度场和速度场激光测量的实验系统,获取4方向莫尔偏折条纹和4幅火焰粒子图像。同时重建与可视化旋流燃烧温度分布和速度云图、流线、涡量等流场,并分析不同工况下的旋流火焰特性。对直接测量数据与重建结果进行对比,验证了所提方法的有效性。     

Computer-assisted registration, segmentation, and 3D reconstruction from images of neuronal tissue sections

Neuroscientists have studied the relationship between nerve cell morphology and function for over a century. To pursue these studies, they need accurate three-dimensional models of nerve cells that facilitate detailed anatomical measurement and the identification of internal structures. Although serial transmission electron microscopy has been a source of such models since the mid 1960s, model reconstruction and analysis remain very time consuming. The authors have developed a new approach to reconstructing and visualizing 3D nerve cell models from serial microscopy. An interactive system exploits recent computer graphics and computer vision techniques to significantly reduce the time required to build such models. The key ingredients of the system are a digital "blink comparator" for section registration, "snakes," or active deformable contours, for semiautomated cell segmentation, and voxel-based techniques for 3D reconstruction and visualization of complex cell volumes with internal structures.     

基于体素化网格下采样的点云简化算法研究

针对三维点云数据冗余量大、重建时间长、效率低等问题,提出一种基于体素化网格下采样的点云简化算法。该算法首先求出点云数据集的最小三维长方体包围盒,把点云数据划分进三维体素栅格中去;其次计算点云的k邻域,进行曲面法向量估计;然后,在三维体素栅格中选择满足要求的数据点,实现点云下采样;最后,调用Power Crust对下采样点云数据进行曲面重建,在三维可视化类库Visualization Toolkit(VTK)进行显示。实验结果表明,该算法能够加快三维点云数据的重建速度,较好地保持了点云特征,提高曲面重建的效率和鲁棒性,适合实时处理。     

逐点插入法在三维地质建模中的运用

随着科学计算可视化技术和地质信息技术的发展,三维地质建模逐渐成为石油勘探、岩土工程、GIS和科学计算可视化等领域研究与应用的热点。本文主要介绍了在三维地质建模中常用的三角剖分算法中的逐点插入法,在实际运用中进行了改进,对三维空间中的原始数据点进行三角网化并构造地质体。     

Registration and three-dimensional reconstruction of autoradiographic images by the disparity analysis method

Quantitative autoradiography is a powerful radioisotopic-imaging method for neuroscientists to study local cerebral blood flow and glucose-metabolic rate at rest, in response to physiologic activation of the visual, auditory, somatosensory, and motor systems, and in pathologic conditions. Most autoradiographic studies analyze glucose utilization and blood flow in two-dimensional (2D) coronal sections. With modern digital computer and image-processing techniques, a large number of closely spaced coronal sections can be stacked appropriately to form a three-dimensional (3D) image. 3D autoradiography allows investigators to observe cerebral sections and surfaces from any viewing angle. A fundamental problem in 3D reconstruction is the alignment (registration) of the coronal sections. A new alignment method based on disparity analysis is presented, which can overcome many of the difficulties encountered by previous methods. The disparity analysis method can deal with asymmetric, damaged, or tilted coronal sections under the same general framework, and it can be used to match coronal sections of different sizes and shapes. Experimental results on alignment and 3D reconstruction are presented.     

基于27邻域网格的医疗图像三维重建

为实现医疗图像三维重建中的网格简化,提出一种基于27邻域网格建立三角形网格拓扑的新方法。首先利用移动立方体(MC)算法从一组计算机层析(CT)图像序列中提取三维重建体数据,将二维图像转化为由一组三角形面片组成的三维模型网;然后利用27邻域网格算法对此三角形网进行空间扫描,构建出三维模型的网格拓扑;最后利用二次误差测度(QEM)算法对所得三维模型拓扑进行简化,实现医疗图像三维模型动态可视化操作。通过使用Visual C++软件平台和OPENGL库对医疗图像进行三维重建,重建效果表明,本文方法的计算效率要优于传统的循环迭代方法;与传统的建立网格拓扑方法相比,本文方法具有算法简单、速度快、运算复杂度与数据量呈线性增长的优点。     

基于波前恢复的温度场真实三维重建

提出了采用傅里叶分析和改进的多重网格法恢复多方向干涉波前的技术,得到待测场在不同方向上的二维投影数据,从而实现了任意截面的场重建,即真正的三维重建。并实验利用了一种旋转F-P干涉仪,实时捕获非对称温度场的多方向干涉图,并给出由这些二维投影重建三维分布的结果,证明此采集、处理及重建方法是行之有效的。     

基于倾斜摄影测量的实景三维建模与精度评定

本文以无人机倾斜摄影测量技术展开,以新疆某测区为例,介绍了基于无人机倾斜摄影技术的全要素实景三维建模过程,包括无人机影像获取、倾斜影像空三加密、倾斜影像的瓦片分块、三维重构、点云分类等关键技术.并对三维建模精度进行分析验证,结果表明,通过倾斜摄影测量技术构建三维建模具有生产周期短,高效率、高精度、高真实感和低成本的特点...