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皮肤反射式共聚焦显微成像扫描畸变校正刘创1,2，张运海1，黄维1,2，唐玉国1(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室，江苏苏州215163；2.中国科学院大学，北京100049)摘要:皮肤反射式共聚焦显微镜是一种重要的皮肤影像学诊断工具，其采用共振型振镜扫描成像会带来非线性畸变，为校正这种畸变，提出一种像素值反正弦过采样信号重建的RCM 图像畸变校正方法，对间距为20μm 的矩形光栅扫描成像实验表明，在校正畸变前光栅图像间距的标准差为7.78μm ，图像的畸变率达到38.9%，经过像素值反正弦过采样信号重建后，光栅图像间距的标准差缩小为0.85μm ，畸变率缩小到4.2%。
结合分辨率板和实际人皮肤成像情况，表明文中提出的畸变校正方法能够较好地校正共振型振镜引起的图像畸变，满足人皮肤实时无创影像学诊断要求。
关键词:共聚焦显微镜；共振型振镜；非线性畸变中图分类号:TP391.4文献标志码:ADOI :10.3788/IRLA201847.1041003Correction of reflectance confocal microscopy for skin imagingdistortion due to scanLiu Chuang 1,2,Zhang Yunhai 1,Huang Wei 1,2,Tang Yuguo 1(1.Jiangsu Key Laboratory of Medical Optics,Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences,Suzhou 215163,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Reflectance Confocal Microscopy for skin (RCM)is an important skin imaging diagnostic tool,which uses resonant galvanometer that will result in nonlinear distortion at image.In order to correct the distortion,a method of anti -sine signal oversampling based pixel using isochronous sampling system to correct the distorted RCM image caused by resonant galvanometer was presented.The results of experiments on the rectangular grating with a pitch of 20μm indicate that,the standard deviation of the grating spacing is 7.78μm.The distortion rate of image before being corrected is 38.9%.The standard deviation of the image corrected by the anti⁃sine signal over⁃sampling based pixel method is 0.85μm,so the distortion rate is reduced to 4.2%.According to the results of a resolution plate and the actual human skin imaging,the distortion correction method proposed in this paper can correct the image distortion caused by resonant galvanometer and meet the human skin real⁃time non⁃invasive imaging diagnostic requirements.Key words:confocal microscopy;resonant galvanometer;nonlinear distortion收稿日期:2018-05-05;修订日期:2018-06-03基金项目:(2017YFC0110303);(ZDYZ2013-1);(BK20160363);(SYG201510);(SS201643)作者简介:(1992-),,,。
2021年2月Feb. 2021第50卷第2期Vol.50 No.2红外与激光工程Infrared and Laser EngineeringMEMS 振镜扫描共聚焦图像畸变机理分析及校正缪 新叫李航锋1,张运海心，王发民込施 辛彳(1.中国科学技术大学，安徽合肥230026；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室，江苏苏州215163;3.苏州大学附属第二医院，江苏苏州215000)摘要：在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中，针对MEMS 振镜二维扫描引起的共聚焦图像畸变，开 展了光束偏转理论分析，得出了投影面扫描图像的具体形状表征,理论畸变图像与真实畸变图像一致， 明确了畸变机理，提出一种有效的畸变校正算法，实现对图像二维畸变的校正。
首先记录原始光栅畸变图像，然后基于Hessian 矩阵提取光栅中心线，拾取特征点并设置基准参考线，通过基于最小二乘法 的7次多项式插值法标定二维方向像素畸变校正量，采用加权平均法填补间隙像素灰度值，最终实现图像畸变校正。
利用网格畸变测试靶实验得出7次多项式插值后的校正决定系数最高、均方根误差值 最低，整幅512行图像在7次多项式插值后最优行数占379行，比例为74%,通过残差分析，二维方向 上残差最大为4个像素，最小为0个像素，平均为1.15个像素，校正结果较为精确。
皮肤在体实时成像实验显示，图像畸变校正后组织结构特征更加真实准确，表明这种校正算法有效可行，有助于皮肤疾 病的准确诊断。
关键词：图像二维畸变；机理分析；Hessian 矩阵；光栅；多项式插值 中图分类号：TH742.9文献标志码：A DOI ： 10.3788/IRLA20200206Analysis and correction of image distortion in MEMSgalvanometer scanning confocal systemMiao Xin 12, Li Hangfeng 1, Zhang Yunhai 1,2*, Wang Famin 1,2, Shi Xin 3(1. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;2. Jiangsu Key Laboratory of Medical Optics, Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology,Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215163, China;3. The Second Affiliated Hospital of Soochow University, Suzhou 215000, China)Abstract: Aiming at the distorted confocal images caused by the two-dimensional scanning of MEMS galvanometer during skin imaging by reflectance confocal microscopy, the theoretical analysis of beam deflectionwas carried out, and the specific shape representation of projection plane scanning image was obtained. It was concluded that the theoretical distortion image was consistent with the real distortion image. The distortionmechanism was clarified and a distortion correction method was proposed. First, the original distorted grating image was recorded, then the center lines of grating were obtained based on the Hessian matrix, after that feature points were picked and datum reference lines were set. Finally, the correction to the distorted confocal images wasrealized by calibrating the corrections of the two-dimensional pixel distortions using polynomial interpolation收稿日期：2020-10-12；修订日期:2020-11-15基金项目:国家重点研发计划(2017YFC0110305)；山东省自然科学基金(ZR2019BF012)；济南市“高校20条”资助项目(2018GXRC018)；苏州市民生科技项目(SS201643)红外与激光工程第50卷第2期based on the least square method and filling the gray value of gap pixels by weighted average method.By the experiment of measuring target with grid distortion,the correction coefficient was the highest and the root mean square error was the lowest after polynomial interpolation of degree7.Also,the optimal number of512rows was 379,accounting for74%.The residual distortions were accurately evaluated,in two dimensional,the maximum value is4pixels,the minimum value was0pixel and the average value was L15pixels,so the results were accurate.The experiment of in vivo real-time skin imaging shows that the organizational structure features are more real and accurate after corrections.So this method is effective and feasible,which is helpful for accurate diagnosis of skin diseases.Key words:two-dimensional distortions of images;polynomial interpolation0引言作为一款新型影像学临床诊断设备，皮肤反射式共聚焦显振镜利用皮肤中血红蛋白、黑色素和角蛋白等不同组织成分的折射率差异进行成像，为皮肤组织的实时观测提供有效的技术手段，在恶性皮肤肿瘤早期诊断、治疗后随访等方面发挥了愈发重要的作用"役为进一步实现皮肤病检查时的便捷性,需要发展手持式皮肤共聚焦显振镜，由于受到系统体积和重量限制，系统中的核心部件扫描振镜要采用单镜面式MEMS振镜实现二维扫描成像,该扫描方式使得采集到的图像存在较为严重的二维畸变，扭曲了皮肤组织真实的结构形态.如不对这种图像畸变进行校正，将不利于医生观察皮损组织真实形态、边界轮廓、结构特征等信息，直接影响临床诊断结果因此，需要在分析产生图像畸变机理的基础之上，实现畸变校正，将真实图像信息准确呈现，为皮肤疾病诊断奠定基础。
化石研究的新技术──激光扫描共聚焦显微系统
杨伟平;张海春;王冰;徐放鸣
【期刊名称】《古生物学报》
【年(卷),期】1996(35)6
【摘要】激光扫描共聚焦显微技术的根本特性在于任何时候都将照明光与探测到
物体表面的光限制在物体某一个相同点上。
如果这个点非常小又在极小衍射范围内，那么激光扫描共聚焦成像系统的分辨率要比任何传统显微镜高许多。
通过变换焦距，可做一系列虚拟断层切面。
利用这个特点，对那些用常规手段无法进行切片磨面的微体化石采用激光扫描共聚焦新技术进行研究，获得了对小壳化石、昆虫、孢粉等化石研究的新成果。
【总页数】4页(P730-733)
【关键词】化石;激光扫描共聚焦;研究技术
【作者】杨伟平;张海春;王冰;徐放鸣
【作者单位】中国科学院南京地质古生物研究所
【正文语种】中文
【中图分类】Q911.23
【相关文献】
1.激光扫描共聚焦显微镜使用中荧光共定位的一种计算方法 [J], 胡西学;郭宏博;甘雅玲
2.激光扫描共聚焦显微镜技术用于eIF-5A与syntenin及TIMP4的共定位及相互
作用研究 [J], 周涛;巩伟丽
3.激光共聚焦扫描显微镜与多光子激光扫描显微镜之比较 [J], 张向阳;门金娥;师兴安
4.共焦激光扫描荧光显微镜的扫描系统研究 [J], 张平;陈德;吴震;黄俊
5.共焦激光扫描荧光显微镜的扫描系统研究 [J], 张平;陈德;吴震;黄俊
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皮肤反射式共聚焦显微成像自适应图像亮度调节缪新;张运海;黄维【摘要】在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中,为了实现图像亮度的快速调节,提出了一种图像亮度自适应调节方法.通过实验建立光强控制电压与图像亮度之间的关系模型,划分图像极端亮度区间与适度亮度区间,采用分段调节策略,将初始图像从极端亮度区间快速调整至适度亮度区间,在适度亮度区间内通过线性补偿调节至目标灰度均值.对不同深度、不同位置的皮肤组织进行实时成像,图像初始亮度存在着过亮、过暗和适中等各种情况,上述亮度自适应调节方法均能实现快速亮度调节,调节迭代次数为2～3,调节后图像灰度均值达到最优值70左右.实验结果表明,这种自适应图像亮度调节方法快速、有效,能够满足皮肤共聚焦成像检测的需要.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2019(027)006【总页数】7页(P1270-1276)【关键词】显微成像;反射式共聚焦;皮肤;亮度区间;线性补偿;图像灰度均值【作者】缪新;张运海;黄维【作者单位】中国科学技术大学,安徽合肥230026;中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室,江苏苏州215163;中国科学技术大学,安徽合肥230026;中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室,江苏苏州215163;中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室,江苏苏州215163【正文语种】中文【中图分类】TH742.91 引言皮肤反射式共聚焦显微镜是一款新型皮肤影像学诊断仪器[1-2]，主要应用于感染性、色素减退性、色素增加性、炎症性皮肤病及良、恶性皮肤肿瘤的诊断[3-4]。
该系统以近红外激光作为光源，照明光点、物点、探测针孔相共轭[5-6]，通过针孔设置抑制非焦面杂散光，利用皮肤中黑色素和角蛋白等不同细胞结构的折射率差异，实现皮肤组织结构的无创在体三维层析成像。
在系统成像过程中，由于光束到达不同层次、不同位置皮肤组织的光强不同，呈现出的图像整体亮暗程度不同，这一定程度上直接影响医生对患者皮损组织成像观察、微结构特征辨识、边界界定，甚至诊断结果的准确性，而频繁手动控制激光光源不仅操作繁琐，还分散医生精力，因此，需要在系统实时成像的同时实现快速自适应图像亮度调节，维持图像整体亮度在一定阈值范围内。
专利名称：一种共聚焦成像畸变校正系统及方法专利类型：发明专利
发明人：唐玉国,黄维,张运海,薛晓君
申请号：CN201710093232.X
申请日：20170221
公开号：CN107065157A
公开日：
20170818
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种共聚焦成像畸变校正系统，其包括共振振镜、检流计振镜、同步控制器和数据采集机构，所述共振振镜，用于在X轴方向上驱动扫描光斑，并在每一个振动周期中输出一个行同步信号；所述检流计振镜，用于在Y轴方向上驱动扫描光斑；所述同步控制器，用于接收来自于所述共振振镜的行同步信号，对所述行同步信号进行校准，产生与所述共振振镜的运动同步的行同步信号，并以校准后的行同步信号为时序基准，生成对所述检流计振镜的控制波形和与所述数据采集机构采样速率相匹配的等时间间隔的采样控制信号；所述数据采集机构，用于根据所述同步控制器的采样控制信号，采集观测样本的光信号，生成有非线性图像畸变的原始图像。
本发明还提供一种共聚焦成像畸变校正方法。
申请人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所
地址：215163 江苏省苏州市高新区科技城科灵路88号
国籍：CN
代理机构：深圳市科进知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：赵勍毅
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第29卷第1期2021年1月Vol.29No.1Jan.2021光学精密工程Optics and Precision Engineering大视场线扫描共聚焦全息显微成像纵浩天1，2，张运海2*，王发民1，2，缪新1，2（1.中国科学技术大学生物医学工程学院，安徽合肥230026；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医学光学重点实验室，江苏苏州215163）摘要：传统显微成像一般记录样本的强度信息，对于半透明或相位组织成像对比度较差。
为实现相位组织非荧光标记成像，采用线扫描共聚焦全息成像方法，在线扫描共聚焦成像的基础上增加一路参考光，在共聚焦狭缝处形成离轴像面数字全息，通过控制样本的移动实现对样本的扫描，将获得的干涉线合成为二维全息图，通过频域滤波的方式获得振幅与相位分布，采用相邻剖面相似的特性校正环境振动引起的相位横纹，并且通过多区域扫描拼接实现大视场全息成像。
对USAF1951分辨率板进行线扫描共聚焦全息成像，采用抖动校正算法，使本实验重建相位图中的抖动横纹降低了84.7%，获取3个子区域图，通过图像拼接达到1160μm×1043μm的成像视场，扫描更多的子区域可以获取更大的视场，并且对洋葱表皮细胞实现共聚焦相位成像。
实验结果表明了该线扫描共聚焦全息成像方法可以实现对半透明样本的大视场相位成像，为相关仪器研制提供了指导与依据。
关键词：数字全息；光学显微成像；线扫描共聚焦；扫描拼接；大视场中图分类号：O426.1；O438.1文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20212901.0001Large field of view line-scanning confocal holographic microscopy ZONG Hao-tian1，2，ZHANG Yun-hai2*，WANG Fa-min1，2，MIAO Xin1，2（1.School of Biomedical Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei230026，China；2.Jiangsu Key Lab of Medical Optics，Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology，Chinese Academy of Sciences，Suzhou215163，China）*Corresponding author，E-mail：zhangyh@Abstract：Traditional microscopic imaging generally records the intensity information of a sample，but the contrast is poor for translucent or phase tissue.To realize phase tissue non-fluorescence labeling imaging，a line-scanning confocal holographic imaging method was adopted.In line-scanning confocal imaging，a reference light was added to form off-axis image plane digital holography at the confocal slit.The sample was scanned by controlling the movement of the sample.The interference lines obtained were combined to form a two-dimensional hologram，and the distribution of amplitude and phase was obtained by filtering in the frequency domain.The phase striation caused by environmental vibration was rectified using the char⁃文章编号1004-924X（2021）01-0001-09收稿日期：2020-08-28；修订日期：2020-10-21.基金项目：江苏省国际合作项目（No.BZ2020004）；国家重点研发计划资助项目（No.2017YFC0110303）；济南市“高校20条”资助项目（No.2018GXRC018）；山东省自然科学基金资助项目（No.ZR2019BF012）第29卷光学精密工程acteristics of adjacent sections，and large field-of-view holographic imaging was realized by multi-area scan⁃ning and splicing.A USAF1951resolution plate was imaged by line scanning confocal holography，and a jitter correction algorithm was used to reduce the jitter stripes in the reconstructed phase map by84.7%to obtain three sub-area maps.An imaging field of1160μm×1043μm was achieved by splicing；scanning more sub-regions can help in obtaining a larger field of view and in realizing confocal phase imaging of on⁃ion epidermal cells.The experimental results show that the line-scanning confocal holographic imaging method can realize large-field phase imaging of translucent samples and provide guidance and a basis for the development of related instruments.Key words：digital holography；optical microscopy；line-scanning confocal；scanning splicing；large field of view1引言显微镜是人类观察与探索微观世界的重要工具，它在生物医学和工业检测等领域都发挥着重要的作用。
专利名称：一种激光扫描共聚焦显微镜硬件控制系统与方法专利类型：发明专利
发明人：薛晓君,张运海
申请号：CN201410804094.8
申请日：20141222
公开号：CN104570860A
公开日：
20150429
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本案为一种激光扫描共聚焦显微镜硬件控制系统与方法，包括硬件部分：激光器、二色镜电机、狭缝电机、针孔电机、光电倍增管、扫描振镜、纳米位移台；还包括数据采集卡、下位机、上位机；所述激光器、二色镜电机、狭缝电机、针孔电机、PMT、扫描振镜、纳米位移台分别成光路连接；还包括扫描振镜控制电路，其与扫描振镜电性连接；在所述上位机和各硬件之间还包括下位机系统，各硬件间接的通过所述下位机系统与所述上位机通讯连接，其中，每个硬件设有唯一的识别码。
本案通过下位机系统完成系统软件对各个硬件的间接控制，实现起来更加快捷，降低了整个系统实现的难度。
申请人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所
地址：215163 江苏省苏州市科技城科灵路88号
国籍：CN
代理机构：北京远大卓悦知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：史霞
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