双光子荧光显微成像系统研究与软件设计

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1、硕士学位论文双光子荧光显微成像系统研究与软件设计STUDYANDSOFTWAREDESIGNOFTHEIMAGINGSYSTEMOFTWO-PHOTONFLUORESCENCEMICROSCOPY李小帅哈尔滨工业大学2014年6月万方数据国内图书分类号：TH742学校代码：10213国际图书分类号：57.08密级：公开工学硕士学位论文双光子荧光显微成像系统研究与软件设计硕士研究生：李小帅导师：王强教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学万方数据ClassifiedIndex:TH742U.D.C:57.08DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYANDSOFTWAREDESIGNONIMAGINGSYSTEMOFTWO-PHOTONFLUORESCENCEMICROSCOPYCandidate：LiXiaoShuaiSupervisor：Prof.WangQiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciali

3、ty：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要生命科学的发展促使人们对生命的研究从表象深入到了内部细节，而双光子荧光显微镜能够在亚微米量级分辨率上获取生物体的三维图像，从而使人们能从微观上研究生命的本质。但是目前针对双光子

4、荧光显微镜没有一套通用的软件系统，因此本文在实验室现有的双光子显微镜实验平台上，使用LabVIEW和基于OpenGL的VS2008软件开发了一套完整的且具有一定通用性的软件系统，该软件系统实现了在微米量级分辨率上二维成像和三维成像的功能，涵盖了从图像采集，图像处理最后到图像重构的整个过程。首先，根据双光子荧光显微成像系统的功能需求，设计了系统整体硬件连接和软件流程，并采用模块化设计理念将系统分成四个功能模块，分别是控制模块、机械扫描模块、断层图像采集及重构模块和三维重构模块。其次，针对系统机械扫描模

5、块中的扫描模式提出了三种方案，分别是精扫描，粗扫描和混合扫描；针对扫描路径提出了矩形路径和螺旋路径两种方案，得出矩形扫描路径能获取规则图像数据并提高系统工作效率的结论。然后，针对系统图像采集及重构模块提出了两种不同的图像采集方案，分别是单次图像采集和多次图像采集，并通过实验验证了多次采集模式下获取图像信噪比高的结论；提出了成像效果与图像采集时像素间隔时间有着密切关系，像素间隔时间越短，图像越容易失真。最后，针对系统三维重构模块选择了经典的光线投射算法作为理论基础，将系统三维成像工作流程分为体数据获取

6、、体数据重建和体数据可视化三个阶段；体数据获取是通过LabVIEW软件实现系统三维扫描完成的；体数据重建包括对体数据的降噪滤波和插值，并用LabVIEW分别实现了均值滤波算法和最近邻域DW插值算法，其中，在实现体数据滤波过程中，创新性地将图像采集和图像滤波结合起来同时进行，提高了系统工作效率；体数据可视化是通过OpenGL实现系统对样本三维图像绘制完成的。关键词：双光子荧光；机械扫描；图像采集；三维成像；LabVIEWI万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelo

7、pmentoflifesciences,thestudyoflifehasgonedeepintotheinternaldetails.Andtwo-photonfluorescencemicroscopyenablesbiologicalspecimensimaginginthreedimensionswithsub-micrometerresolution.However,thereisnogeneralsoftwaresystemtorealizetheimagingoftwo-photonf

8、luorescencemicroscopy.Sobasedonthetwo-photonfluorescencemicroscopy,thepaperdesignedandimplementedasoftwaresystemtocollecttheimagedata,topre-processtheimageinformationandtoreconstructimageintheLabVIEWandVS2008withOpenGLsoftwareenvironmen