基于LabVIEW的显微荧光光谱成像系统

实现数字图像序列采集、图像处理、生物细胞的光谱学分类、图像选取、光密度测量等硬件构建与软件设计，实现对组织细胞进行定性(What)、定量(How Many)以及定位(Where)分析。

基于LabVIEW软件的显微荧光光谱成像系统(MFSIS)，应用NI-VISA工具，利用串口通信实现关键光谱器件-线性可变滤光片(LVF)的位移精确控制，利用CVI动态链接函数完成图像采集卡的硬件驱动，并借助NI视觉开发模块(Vision Development Module)完成时间、光谱序列图像的分析与处理。在LabVIEW平台下实现了数字图像采集、图像处理及生物医学中光谱图像分析等功能。系统结构复杂，但开发周期大大缩短。

显微荧光光谱成像系统的组成

显微荧光光谱成像系统(MFSIS)包括以下几个部分：光源，分光系统，荧光显微镜，图像适配器，高性能制冷CCD摄像器件，图像采集卡，图像生成与处理、图像显示等，系统结构如图1所示。

图1 显微荧光光谱成像系统结构

工作过程：高功率单色激发光源激发显微镜下样品，使之发射出特定的生物荧光.依据Stocks定律，荧光波长大于激发光波长，采用光谱分光元件可以从光谱上将二者分开。在系统中可以通过对线性可变单色滤光片LVF的精确位移控制实现光谱分辨。通过LabVIEW软件控制系统硬件改变其位置，并触发图像采集系统同步工作，即可获取序列图像—光谱图像立方体。采集图像信号并进行处理后，就能够获取微区荧光光谱扫描谱图的详细信息。使用在NI视觉开发模块的基础上所开发的显微荧光光谱分析软件能够对采集来的图像进行相关图像处理与光谱信息分析。

显微荧光光谱成像系统主要有三大功能模块构成：基于LVF的分光系统控制模块、序列图像采集模块和光谱图像处理与分析模块。

分光系统控制模块

光谱仪器的核心部分是色散系统，这是因为光谱仪器的四个最主要的基本特征即工作光谱范围、色散率、分辨率和集光本领都决定于色散系统。本系统采用美国OCEAN公司的线性可变滤光片(LVF)作为色散元件，实现光谱阻断或者通过。

分光系统的软件部分主要是利用LabVIEW的串口工具来控制LVF的运动。主要功能包括：

※ 系统复位

※ 往复运动与指定波长位置

※ 步进工作：按照给定的间隔步长，由按键控制电机步进

※ 行程控制与精确定位

软件系统中的控制窗口如图2所示。运行时的操作过程为：给定set value的值，电机可以直接运行到指定的波长值，并且在current wavelength处实时显示当前波长，然后根据给定的step值，点击step按钮，进行电机的步进。根据需要，可以随时进行中断并复位。运行过程中，通过busy指示灯控件反映运行的信息，当程序运行正常时，指示灯闪烁，提示等待信息;当程序发现错误时，指示灯停止闪烁，提示栏会提示错误原因。以便及时更正错误信息。

图2 分光系统的控制

序列图像采集模块

显微序列图像的采集采用了美国Pixera公司的150CL型高性能冷CCD，配备图像采集卡，但是该卡无LabVIEW驱动程序。本文中利用LabVIEW的DLL动态函数调用功能，通过对Pixera公司提供控制SDK包的调用，实现了图像采集的曝光时间设置、自动增益调节、自动对焦、积分时间调整、黑/白平衡、彩色/灰度切换以及CCD灵敏度设置等多项功能。本文设计了图像采集的必备子VI，其中包括CCD驱动、图像灵敏度、制冷控制、荧光快速模式等，并将CCD采集到的图像数据自动存入一临时文件，采用ReadFile子VI，读取该JPEG格式的图像文件，显示在位于面板右侧的图片显示区中。

除采用软件控制外，通过一个手动按钮控件。控制采集卡的图像CCD采集工作，自动完成图像数据采集、存储和显示。此系统工作简便，快速，实时性强，能够很好地配合整个系统工作。

光谱图像模块

显微荧光光谱曲线的绘制是本系统的特点之一。如图3所示，经过光谱扫描得到的序列图像形成光谱立方体，其中从第0幅图到第i幅图分别对应不同的波长值，居于图像中心的像素波长值分别为：λ00，λ00，……，λ0i。对于每幅图象任意像素点，通过光谱计算可以确定其对应的波长值和光强度值，由此实现绘制图像上任意点的光谱曲线。

图 3 序列图像的光谱构成

以下以FluorCell#2荧光分子探针显微荧光光谱成像为例。首先在镜下调整成像的照明、CCD灵敏度、手动调焦，选择需要细节观察的细胞区域。然后设定光谱立方体所需要的荧光采集参数、波长步进值、图像内存区、光谱分光速度等，启动序列图像采集，系统将自动按照设定波长获取相应的光谱图像序列，并将之存储在指定目录下，该目录自动设定为当前年月日时分，采集完成后可按照要求更改。系统工作