本发明专利技术公开了一种精子三维形态的动态观测方法、装置及存储介质，其中方法包括：获取精子的全息图像，对全息图像进行三维光强重建，获取三维空间光强分布；使用差值法处理三维空间光强分布，排除背景噪声干扰，并增强精子鞭毛的散射光信号；根据差值法处理后的三维空间光强分布，获取精子鞭毛在二维投影面xy上的节点分布，并逐一获取精子鞭毛在z轴的位置，实现精子鞭毛的三维重构。本发明专利技术通过重建聚焦头部形态和位置，同时利用差值法增强鞭毛信号后搜寻获取变精子鞭毛节点的三维坐标，从而实现精子头部和鞭毛的三维重构，适用于观察各种动物及人类精子，可原位、无损伤获取多个精子细胞的动态三维位置。本发明专利技术可广泛应用于显微计算成像领域。成像领域。成像领域。
【技术实现步骤摘要】
一种精子三维形态的动态观测方法、装置及存储介质
[0001]本专利技术涉及显微计算成像领域，尤其涉及一种精子三维形态的动态观测方法、装置及存储介质。
技术介绍
[0002]精子样本的运动模式和形态是临床精子筛选、评估受精成功率的主要参量。目前，传统的精子形态观测方法是使用光学显微镜观察精子在二维平面上的投影。然而，由于精子包含头部和鞭毛两个部分，运动时往往不处于同一平面。而完整的评估这两大部分，才可对精子的运动形态有全面的评估和了解。然而，常规的显微成像通常观测精子的头部，而难以观察散射信号较弱的鞭毛部分；荧光染色可以增强鞭毛的信噪比，然而精子无法引入染色以免对其受精造成不可逆的损害。此外，扫描电子显微镜及透射电子显微镜等观测方法可精细观察精子微观形貌和内部结构，但样本的制备过程中无法保持细胞活性，无法用于精子的实时动态观察。新发展的数字全息显微成像方法可在保持细胞活性的前提下实现微粒的三维定位，但无法获取鞭毛信息。
[0003]由上可见，目前亟需一种无损、非标记、实时获取精子游动时包括头部和鞭毛完整的三维形态的技术方案，这对于临床生殖医学、畜牧业等领域具有极为重要的意义。
技术实现思路
[0004]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种精子三维形态的动态观测方法、装置及存储介质。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种精子三维形态的动态观测方法，包括以下步骤：
[0007]获取精子的全息图像，对全息图像进行三维光强重建，获取三维空间光强分布；
[0008]使用差值法处理三维空间光强分布，排除背景噪声干扰，并增强精子鞭毛的散射光信号；
[0009]根据差值法处理后的三维空间光强分布，获取精子鞭毛在二维投影面xy上的节点分布，并逐一获取精子鞭毛在z轴的位置，实现精子鞭毛的三维重构。
[0010]进一步地，所述全息图像为离焦图像，通过光场传播公式进行重建获得；全息图像的重构过程包括精子细胞图像离焦
‑
聚焦
‑
离焦的过程；
[0011]在三维光强重建中，相邻重建图像间对应传播距离之差相等。
[0012]进一步地，所述使用差值法处理三维空间光强分布，包括：
[0013]选取精子细胞头部的中心点作为特征点，获取特征点的投影坐标；
[0014]分析特征点重构光强在传播方向上的分布规律，获取在传播方向上光强极大值及极小值相差的距离d；
[0015]将三维空间光强分布中的每一张重建图像和与该图像传播距离差值为d的重建图像相减，使得光强分布图像的精子鞭毛的散射光信号得到增强，背景信号趋近于零。
[0016]进一步地，所述根据差值法处理后的三维空间光强分布，获取精子鞭毛在二维投影面xy上的节点分布，包括：
[0017]根据差值法处理后的三维空间光强分布，寻找精子头部的中心点A0，对这一点对应的重构的聚焦图像层进行提取，获取精子的头部轮廓；
[0018]通过传播方向上图像的叠加匹配获取精子头部朝向，预测精子鞭毛的朝向；
[0019]以中心点A0为起点，在与精子头部朝向的夹角小于预设角度θ0的范围内寻找光强最大点，该光强最大点的二维坐标为第一个鞭毛二维投影节点A1；
[0020]以节点A1为顶点，鞭毛朝向A0A1为对称轴，在与鞭毛朝向夹角小于预设角度θ1的范围内寻找光强最大点作为下一鞭毛二维投影节点A2；
[0021]根据上一个鞭毛二维投影节点更新顶点和鞭毛朝向，根据鞭毛朝向获取寻找范围并获取下一个鞭毛二维投影节点，直到满足预设的寻找条件，输出获得的鞭毛二维投影节点A1、A2、
……
、A
n
。
[0022]进一步地，在寻找精子头部的中心点A0，对这一点对应的重构的聚焦图像层进行提取，获取精子的头部轮廓这一步骤中，以光强最大点的坐标作为精子头部聚焦的判定依据；
[0023]在以中心点A0为起点，在与精子头部朝向的夹角小于预设角度θ0的范围内寻找光强最大点这一步骤中，还包括以下步骤：
[0024]在寻找精子鞭毛二维投影节点时，将起点附近预设距离内的点进行舍弃，避免获取节点附近较强的信号对下一鞭毛二维投影节点的获取造成干扰。
[0025]进一步地，所述逐一获取鞭毛在z轴位置，实现精子鞭毛的三维重构，包括：
[0026]根据差值法处理三维空间光强分布，获取每一个精子鞭毛二维投影节点在光强传播方向上对应的光强分布曲线；
[0027]通过拟合光强分布曲线获取每一节点在传播方向上的峰值，该峰值对应的三维坐标视为投影节点对应的部分精子鞭毛所在三维位置；
[0028]对各鞭毛节点的三维坐标进行连接，以连接线段为骨骼计算获取鞭毛的空间分布，实现精子鞭毛的三维重构。
[0029]进一步地，所述以连接线段为骨骼计算获取鞭毛的空间分布，包括：
[0030]通过质心法或者聚类算法，对重构出的精子鞭毛进行骨骼化、膨胀计算以及重构处理，获取新的重构结果，迭代该过程至收敛以获取最优解。
[0031]进一步地，所述精子三维形态的动态观测方法还包括以下步骤：
[0032]连续获取全息图像，对每一帧图像进行重构，获取精子的空间运动参数和形态学在时间维度上的变化。
[0033]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0034]一种精子三维形态的动态观测装置，包括：
[0035]至少一个处理器；
[0036]至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0037]当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
[0038]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0039]一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
[0040]本专利技术的有益效果是：本专利技术通过重建聚焦头部形态和位置，同时利用差值法增强鞭毛信号后搜寻获取变精子鞭毛节点的三维坐标，从而实现精子头部和鞭毛的三维重构，适用于观察各种动物及人类精子，可原位、无损伤获取多个精子细胞的动态三维位置，可广泛应用于临床生殖检测、畜牧业等领域。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本专利技术实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本专利技术实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本专利技术的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0042]图1是本专利技术实施例中一种精子三维形态的动态观测方法的流程图；
[0043]图2是本专利技术实施例中原始的精子细胞全息离焦图像；
[0044]图3是本专利技术实施例中经过光强重建和差值法处理后的精子聚焦图像；
[0045]图4是本专利技术实施例中精子光强叠加图及其本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种精子三维形态的动态观测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取精子的全息图像，对全息图像进行三维光强重建，获取三维空间光强分布；使用差值法处理三维空间光强分布，排除背景噪声干扰，并增强精子鞭毛的散射光信号；根据差值法处理后的三维空间光强分布，获取精子鞭毛在二维投影面xy上的节点分布，并逐一获取精子鞭毛在z轴的位置，实现精子鞭毛的三维重构。2.根据权利要求1所述的一种精子三维形态的动态观测方法，其特征在于，所述全息图像为离焦图像，通过光场传播公式进行重建获得；全息图像的重构过程包括精子细胞图像离焦
‑
聚焦
‑
离焦的过程；在三维光强重建中，相邻重建图像间对应传播距离之差相等。3.根据权利要求1所述的一种精子三维形态的动态观测方法，其特征在于，所述使用差值法处理三维空间光强分布，包括：选取精子细胞头部的中心点作为特征点，获取特征点的投影坐标；分析特征点重构光强在传播方向上的分布规律，获取在传播方向上光强极大值及极小值相差的距离d；将三维空间光强分布中的每一张重建图像和与该图像传播距离差值为d的重建图像相减，使得光强分布图像的精子鞭毛的散射光信号得到增强，背景信号趋近于零。4.根据权利要求1所述的一种精子三维形态的动态观测方法，其特征在于，所述根据差值法处理后的三维空间光强分布，获取精子鞭毛在二维投影面xy上的节点分布，包括：根据差值法处理后的三维空间光强分布，寻找精子头部的中心点A0，对这一点对应的重构聚焦图像层进行提取，获取精子的头部轮廓；通过传播方向上图像的叠加匹配获取精子头部朝向，预测精子鞭毛的朝向；以中心点A0为起点，在与精子头部朝向的夹角小于预设角度θ0的范围内寻找光强最大点，该光强最大点的二维坐标为第一个鞭毛二维投影节点A1；以节点A1为顶点，鞭毛朝向A0A1为对称轴，在与鞭毛朝向夹角小于预设角度θ1的范围内寻找光强最大点作为下一鞭毛二维投影节点A2；根据上一个鞭毛二维投影节点更新顶点和鞭毛朝向，根据鞭毛朝向获取寻找范围并获取下一个鞭毛二维投影节点，直到满足预设的寻找条件，输出获得的鞭毛二维投影节点A1、A2、
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【专利技术属性】
技术研发人员：龚湘君，张广照，何炳恩，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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