TDI-fMOST系统三维鼠脑荧光图像的配准方法研究
发布时间：2020-10-14 09:38
神经元是大脑的基本结构和功能单元,是脑研究的关键所在。基于时间延迟积分相机的荧光显微切片成像系统(TDI-fMOST)是本实验室自主研发的显微光学成像系统,结合荧光蛋白的化学重激活方法,可实现高精度,高通量的生物组织成像,为神经科学研究提供了丰富的研究素材。利用TDI-fMOST系统鼠脑荧光图像来研究单个神经元的完整形态及其投射是本实验室研究的方向之一。为了便于单个神经元的解析和追踪,鼠脑样本采用稀疏标记的策略,但稀疏标记会导致单个鼠脑中感兴趣的特定类型神经元数量不足,无法进行深入的形态学和投射类比分析。因此,对三维鼠脑荧光图像进行配准,把不同鼠脑中被标记的神经元映射到同一个参考鼠脑中进行相应的可视化与类比分析是非常重要的。本文针对TDI-fMOST系统数据集设计了一套完整的三维鼠脑荧光图像的配准方法:先对三维鼠脑荧光图像进行图像的预处理,包括图像的降采样和投影、手工去除杂质干扰信号、滚球法背景归一化等。再以互信息为相似性测度,基于轮廓提取对鼠脑荧光图像进行线性的全局刚性配准,基于Demons对称微分同胚算法对鼠脑荧光图像进行非线性的局部精细配准。同时,本文在信息学和生物学角度上对三维鼠脑荧光图像的配准质量作了客观评价,先用相似性测度分析法对配准前后的图像相似度进行分析,再用区域占比法对显著脑区的分割质量作定量的评估。在上述基础上,本文应用图像配准的变换参数将不同鼠脑中同种类型的神经元映射到同一个参考鼠脑内,为进一步的神经元可视化与类比分析研究提供了基础。通过本文的研究,成功的设计了一套可行的三维鼠脑荧光图像配准方法,该方法可实现对鼠脑外轮廓以及显著脑区较好的配准,且已经在神经元映射及其三维可视化对比分析中有了初步的应用。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;R338
【部分图文】：
人发展了一种全脑定位系统（Brain-wide Positioning System, BPS）结合结构光技术可以连续追踪获取全脑尺度的长程投射，在单细胞水平解析定位全脑神经结构[14]。利用 TDI-fMOST 系统成像技术，本实验室成功的获取了转基因荧光小鼠高分辨率三维全脑荧光图像数据集[15]，为神经科学中进一步揭示大脑内神经元连接及回路的构成提供了丰富的研究素材。神经元的投射和神经回路的构成[16]一直是神经科学中研究的重点，不同类型的神经元组成神经网络，细胞与细胞之间通过突触连接相互沟通，复杂的神经回路中精准的信息传递造就了我们人类的运动、感觉、行为和认知。神经元的投射模式并不单一，有一对一的投射，一对多的投射，也有多对一的投射[17]。神经元的投射模式与神经元的类型和功能有关。图 1.1 给出了神经元投射的三种模式，其中红色是抑制性 GABA 能中间神经元的一对一投射，蓝色是兴奋性多巴胺能神经元的一对多投射，而绿色描述了兴奋性谷氨酸能神经元的多对一投射。
2.1 TDI-fMOST 系统及其图像采集过程简介基于时间延迟积分相机的荧光显微切片成像系统（TDI-fMOST）是本实验室自主研发的光学显微成像系统，结合荧光蛋白的化学重激活方法，可大幅消除下层荧光对样品焦面处信号的影响，通过先成像再切削的成像模式实现单次成像范围较双光子等显微镜的显著提升，可用于快速，大范围，高分辨率的多色体积成像，在全脑范围神经元精细连接和脑图谱研究方面有广阔的应用前景。TDI-fMOST 系统由线扫描成像、精密切削和自动控制三部分构成[13]。线光斑照明和基于时间延时积分相机（TDI-CCD）的探测共同实现了系统的线扫描成像。精密切削部分主要包括金刚石刀和三维精密运动平台。自动控制部分包括时间延时积分相机的数据采集控制程序和三维精密运动平台的运动控制程序。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文一行时，它不会直接输出由该行收集的信号，而是把积分电荷随之位移并叠加，将信号进行积分，这样很大幅度提高了信号强度，即提高相机的探测灵敏度和信噪比。TDI-CCD 是多个线阵列 CCD 的并联，会对同一个物体进行多次曝光，延长信号采集时间，且由于延时积分机制的存在，图像沿积分方向受到光照不均的影响被消除，这种运动条带成像模式相较于马赛克拼接成像模式具有成像速度更快的优势。其工作原理如图 2.3 所示。
【参考文献】
本文编号：2840493
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;R338
【部分图文】：
人发展了一种全脑定位系统（Brain-wide Positioning System, BPS）结合结构光技术可以连续追踪获取全脑尺度的长程投射，在单细胞水平解析定位全脑神经结构[14]。利用 TDI-fMOST 系统成像技术，本实验室成功的获取了转基因荧光小鼠高分辨率三维全脑荧光图像数据集[15]，为神经科学中进一步揭示大脑内神经元连接及回路的构成提供了丰富的研究素材。神经元的投射和神经回路的构成[16]一直是神经科学中研究的重点，不同类型的神经元组成神经网络，细胞与细胞之间通过突触连接相互沟通，复杂的神经回路中精准的信息传递造就了我们人类的运动、感觉、行为和认知。神经元的投射模式并不单一，有一对一的投射，一对多的投射，也有多对一的投射[17]。神经元的投射模式与神经元的类型和功能有关。图 1.1 给出了神经元投射的三种模式，其中红色是抑制性 GABA 能中间神经元的一对一投射，蓝色是兴奋性多巴胺能神经元的一对多投射，而绿色描述了兴奋性谷氨酸能神经元的多对一投射。
2.1 TDI-fMOST 系统及其图像采集过程简介基于时间延迟积分相机的荧光显微切片成像系统（TDI-fMOST）是本实验室自主研发的光学显微成像系统，结合荧光蛋白的化学重激活方法，可大幅消除下层荧光对样品焦面处信号的影响，通过先成像再切削的成像模式实现单次成像范围较双光子等显微镜的显著提升，可用于快速，大范围，高分辨率的多色体积成像，在全脑范围神经元精细连接和脑图谱研究方面有广阔的应用前景。TDI-fMOST 系统由线扫描成像、精密切削和自动控制三部分构成[13]。线光斑照明和基于时间延时积分相机（TDI-CCD）的探测共同实现了系统的线扫描成像。精密切削部分主要包括金刚石刀和三维精密运动平台。自动控制部分包括时间延时积分相机的数据采集控制程序和三维精密运动平台的运动控制程序。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文一行时，它不会直接输出由该行收集的信号，而是把积分电荷随之位移并叠加，将信号进行积分，这样很大幅度提高了信号强度，即提高相机的探测灵敏度和信噪比。TDI-CCD 是多个线阵列 CCD 的并联，会对同一个物体进行多次曝光，延长信号采集时间，且由于延时积分机制的存在，图像沿积分方向受到光照不均的影响被消除，这种运动条带成像模式相较于马赛克拼接成像模式具有成像速度更快的优势。其工作原理如图 2.3 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 闫德勤;刘彩凤;刘胜蓝;刘德山;;大形变微分同胚图像配准快速算法[J];自动化学报;2015年08期
2 王振松;刘晓云;陈武凡;;特征点对引导的医学图像弹性配准方法[J];电子科技大学学报;2012年03期
3 董张玉;赵萍;胡文亮;刘珍;;多分辨率金字塔算法的遥感影像融合对比分析[J];遥感信息;2011年01期
4 王安娜;薛嗣麟;俞跃;孙静;;基于改进光流场模型的医学图像配准方法[J];中国图象图形学报;2010年02期
5 陈红军;刘长征;;基于Demons算法的非刚性配准的实现和改进[J];信息技术;2008年01期
6 韦春荣;周永健;陆志敏;万理;;利用统计特性进行医学图像配准效果定量评价[J];广西物理;2007年02期
7 魏伟波;芮筱亭;;图像边缘检测方法研究[J];计算机工程与应用;2006年30期
8 彭晓明;陈武凡;马茜;;基于B样条的快速弹性图像配准方法[J];计算机工程与应用;2006年11期
9 丁希仑,Selig John Mark;空间弹性变形构件的李群和李代数分析方法[J];机械工程学报;2005年01期
10 时永刚,邹谋炎;图像配准中统计型相似性测度的比较与分析[J];计算机学报;2004年09期
本文编号：2840493
本文链接：https://www.wllwen.com/xiyixuelunwen/2840493.html
