华中科技大学 机械科学与工程学院， 武汉 430074
为解决人工对荧光原位杂交(Fluorescence In Situ Hybridization，FISH)荧光图像进行结果判读存在的效率低、劳动强度大等问题，针对FISH荧光图像细胞智能检测提出一种融合空域图像增强的改进YOLOv5算法。算法在原始YOLOv5神经网络模型基础上，加入了空域图像增强模块，并选择了模块最佳增强系数，扩大了模型对荧光图像的对比度适应范围，提高了模型的特征提取能力和细胞检测准确率。实验结果显示，改进YOLOv5模型的平均精度均值(Mean Average Precision，mAP)为0.983，达到了比原始模型更优的训练效果和收敛速度，并且，改进YOLOv5模型的细胞识别率达到91.65%，比原始YOLOv5模型提升了9.19%。将细胞智能检测算法嵌入自主开发的荧光图像智能检测软件，结合荧光点检测算法，可给出有效判读结果。
FISH技术 荧光图像 神经网络 细胞检测 FISH (fluorescence in situ hybridization) technolo fluorescence images YOLOv5 YOLOv5 neural networks cell detection
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省合肥生态环境监测中心，安徽 合肥 230088
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
通过融合浮游植物藻类细胞显微明场图像和荧光图像对浮游植物进行鉴定可以有效提高浮游植物鉴定的精度，然而在图像采集过程中存在明场图像与荧光图像中藻细胞位置不匹配的问题。为此，本文以刚体变换作为明场图像与荧光图像的空间变换模型，以明场HSV颜色空间S通道二值化图像与荧光灰度二值化图像的归一化互信息作为明场图像与荧光图像的相似度，利用粒子群优化算法对小波五级分解的低频分量进行粗配准，然后将初步配准的平移量和旋转角度作为初始值，利用鲍威尔算法对小波三级分解的低频分量进行配准精度微调。栅藻、羊角月牙藻和念珠藻的实验结果表明：对明场图像与荧光图像进行处理后的归一化互信息具有明显的峰值，可以更好地表征浮游藻细胞明场图像与荧光图像的相似度；将粒子群优化算法与鲍威尔算法结合的多分辨率图像配准方法，对栅藻、羊角月牙藻、念珠藻显微明场图像与荧光图像配准的误配率分别为0、9.4%、6.5%，平均配准时间分别为10.43、27.98、17.02 s，配准后的归一化互信息分别为0.673、0.495、0.631。研究结果验证了所提方法在配准精度、运行时间等方面的优势，为融合显微荧光图像和明场图像进行浮游植物鉴定奠定了基础。
生物光学 浮游植物 明场图像 荧光图像 图像配准 互信息 中国激光
2022, 49(24): 2407202
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
为实现早期龋齿的无损检测，研究了一种基于自体荧光效应的龋齿检测方法。从光谱学角度对不同龋齿的特征光谱进行实验研究，利用荧光光谱仪采集各样品的激发、荧光光谱，采用Savitzky-Golay平滑法对光谱进行预处理。健康牙齿与龋齿的激发峰值波长位于405 nm附近，牙齿硬组织的荧光峰值位于480 nm附近；另外在623 nm、685 nm处龋损组织出现较强的荧光峰值，与牙菌斑代谢物质卟啉类化合物的峰位值一致；在405 nm光源激发下牙齿荧光光谱存在明显差异，健康牙齿的荧光图像呈绿色，而龋齿的荧光图像随着牙菌斑含量的增高产生红移。结果表明，通过分析荧光图像颜色差别实现对早期龋齿的检测是可行的。
光谱学 龋齿 荧光光谱 牙菌斑 荧光图像 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1330001
上海理工大学 出版印刷与艺术设计学院，上海200093
传统高通量dPCR荧光图像分析结果易因假阳性点与非特异性扩增而导致阳性点识别率较低，因而本文提出一种多特征融合高通量dPCR荧光图像识别方法（HDFINet），以提高阳性点识别准确性。首先，在特征融合部分引入自上而下结构，使得下层特征在顶层被更有效地利用。在自上而下结构中，使用通道注意力来分配荧光图像通道权重，并使用空间注意力来分配特征图中荧光图像像素相应权重，使得特征映射能够更好地响应荧光图像特征。然后，在RPN中使用自适应交并比IOU计算阳性点包围框置信度，减少阳性点信息丢失可能性。最后，ROI Align将荧光图像候选区域中阳性点特征重新固定尺寸后，输入至全连接层和全卷积层，进行类别与回归框回归，输出阳性点识别结果。本文提出的HDFINet网络具有较高识别率，可以有效地实现荧光图像阳性点识别，与YOLOv4、VF-Net、GROIE相比，本文方法综合指标F1最高，相比于经典的深度学习网络Mask R-CNN网络，本方法对阳性点识别真阳性率提高了1.13%，阳性预测值提高了0.36%，综合指标F1的值提高了0.75%。本文提出的HDFINet网络具有良好的识别性能，能够有效识别荧光图像阳性点，对其他荧光图像分析研究具有参考价值。
dPCR 深度学习 荧光图像 阳性点 dPCR deep learning fluorescence image positive points
1 上海大学通信与信息工程学院, 上海 200444
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏苏州 215163
3 中国科学技术大学, 安徽合肥 230026
蜂窝状堆叠数字 PCR微阵列图像因其单元尺寸小、排列密集, 荧光信号弱、易受光照分布影响, 其样点定位困难。本文提出基于形态学的三通道蜂窝状荧光图像样点寻址算法及数字 PCR图像信息提取方法, 可快速、有效识别微阵列芯片生物分子微弱荧光信息。针对不同通道的图像进行配准融合, 使样点排布整齐;通过增强图像的对比度, 选取有效样点区域, 基于改进伽马算法去除光照分布不均效应;基于形态学算法识别紧密排列的样点, 对微阵列芯片图像进行单元分割定位, 提取每个样点的生物分子荧光信息。该方法处理一块约 20 000个微单元的数字 PCR芯片图像的耗时小于 20 s, 与现有定位方法相比, 处理相同数量样点的图片的耗时可减少 3个数量级;通过与标准仪器结果相比, 样点识别精度达到 98. 79%, 生物信息计算结果(拷贝数)准确度达到 96. 2%。本文提出基于形态学的三通道蜂窝状荧光图像样点寻址算法及数字 PCR图像信息提取方法克服了蜂窝状堆叠式微阵列荧光图像样点难以定位的问题, 与现有方法相比, 能够快速、准确地获取生物信息, 为数字 PCR技术的精准定量奠定了基础。
生物荧光图像 蜂窝状 数字 PCR微阵列 寻址定位 bioluminescent image honeycomb digital polymerase chain reaction microarray spot addressing 光学 精密工程
2020, 28(12): 2745
1 汕头大学医学院 a.中心实验室
2 汕头大学医学院 b.第一附属医院, 汕头 515041
研究不同分化的食管癌细胞Cx43蛋白的表达和空间定位及其对食管癌细胞的生物学行为的影响。应用合适的荧光探针和激光扫描共聚焦显微镜, 通过单粒子跟踪图像分析, 检测Cx43蛋白荧光团在食管癌细胞中的表达和分布。Cx43在高分化食管鳞癌EC9706中的分布与EC109细胞相似, 特别是细胞膜呈现明显的荧光团; 近细胞膜Cx43蛋白含量相对细胞质增高, 具有在细胞膜构建细胞通信的结构基础, 预示着细胞向良性发展的趋势。低分化食管鳞癌KY150细胞和食管癌SHEEC细胞中Cx43蛋白的荧光团主要分布在近核膜的细胞质中, 较少分布在细胞膜附近;近核膜的Cx43蛋白含量比近细胞膜的含量高, 说明Cx43蛋白在细胞质中的滞留状态。研究显示SPT图像可以直观地示踪Cx43蛋白荧光团在食管癌细胞中的分布, 从而确定Cx43蛋白在不同分化的食管癌细胞中表达及定位的痕迹。
食管癌 连接蛋白43 激光扫描共聚焦显微镜 荧光图像 单粒子跟踪 荧光团 esophagus cancer connexin43(Cx43) confocal laser scanning microscope fluorescence image single particle tracking fluorophores
1 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室/国家光学仪器工程技术研究中心, 杭州 310027
2 杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院, 杭州 310018
3 浙江大学医学院附属口腔医院, 浙江省口腔医院, 杭州 310027
本文基于牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性, 提出了一种利用自体荧光成像的牙菌斑量化分析方法。首先测试了牙齿样品在 405 nm激发光作用下自体荧光光谱分布, 在分析荧光颜色参量与牙菌斑含量相关性的基础上, 提出以荧光图像的 R/B作为牙菌斑含量量化的参量, 并确定使用中心波长为 490 nm的长波通滤光片对荧光光谱波段进行选择性提取。最后, 搭建实验装置获取了牙齿自体荧光图像, 利用 R/B值作为分割阈值得到了三个不同等级的牙菌斑含量与分布的量化分析结果, 与视诊结果相符。
牙菌斑 自体荧光 颜色参量 荧光图像 量化分析 dental plaque auto-fluorescence color parameters auto-fluorescence image quantitative analysis
西北核技术研究所 激光与物质相互作用国家重点实验室, 陕西 西安 710024
研究并评价了单幅荧光图像的降噪方法, 以便真实、有效地获得用于瞬态流场测量的荧光图像的流场参数。分析了单幅荧光图像中的噪声来源, 根据对双线测温信息提取的影响程度, 确定米散射强噪声作为主要的滤波对象。分析了不同数字滤波方法的适用范围, 并对丙酮荧光显示的流场图像进行了降噪处理。通过检查荧光图像与滤波处理图像的差值图像中含有荧光图像结构信息的程度评价了降噪效果。比较表明, 形态学开运算图像重构滤波方法对荧光图像中米散射强噪声去除效果较好, 并可较好地保护图像中原有荧光信息的细节。采用形态学开运算图像重构滤波方法对Q2(11)线与P1(7)线激励甲烷/空气预混火焰获得的荧光图像进行处理, 得到了较为平滑的二维温度分布, 测量温度在2 000 K左右。结果表明, 形态学滤波方法在瞬态流场定量测量的PLIF图像降噪处理方面具有一定的应用潜力。
荧光图像 降噪 平面激光诱导荧光 定量测量 灰度形态学图像重构 差值图像 fluorescent image denoising Planar Laser Induced Fluorescence(PLIF) quantitative measurement morphological grayscale reconstruction difference image
重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
绿色荧光蛋白(GFP)荧光图像提供蛋白质功能定位信息，相衬图像提供高分辨率的结构信息，二者的融合对于细胞蛋白质的功能分析和亚细胞的精细结构定位具有重要价值。基于轮廓波变换对细节信息优异的表达能力，提出一种HIS空间下基于轮廓波变换的多尺度混合分层图像融合算法，该算法利用轮廓波变换分别对GFP荧光图像和相衬图像的亮度分量进行分解，对不同子带系数采用不同的融合策略以力求融合图像在保留GFP荧光图像定位信息的同时融入相衬图像的高频细节，并引入视觉保真度(VIF)作为图像融合的评价指标。对来自约翰英纳中心的117组拟南芥细胞图像进行的融合实验表明，该算法能够有效保留源图像中的细节信息，提高了融合图像的可视性，相比传统算法更为优越。
图像处理 生物图像融合 绿色荧光蛋白荧光图像 相衬图像 轮廓波变换 视觉保真度 光学学报
2012, 32(s1): s117002
浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 浙江 杭州 310058
腐烂是发生在柑橘类水果中最普遍、 最严重的病害, 早期腐烂果的自动化检测有助于提高水果加工业的市场竞争力。 然而, 目前没有有效的自动化检测技术。 以脐橙为研究对象, 利用荧光高光谱成像检测早期腐烂果。 最佳指数OIF理论用于识别腐烂果的最优波段组合(498.6和591.4 nm)。 基于最优波长的比图像及双阈值分割算法, 识别率达到100%。 研究表明, 该方法能有效克服梗伤果及果梗在紫外线诱导下所产生的荧光效应对腐烂果识别的影响。 该研究为基于多光谱成像技术对早期腐烂果的在线检测系统的开发奠定了基础。
高光谱荧光图像 波段比算法 OIF理论 脐橙 早期腐烂 梗伤 Hyperspectral fluorescence images Band ratio algorithm OIF method Navel oranges Early rottenness Stem damage
