基于LabVIEW的显微荧光光谱成像系统

界面如图4：

图4　Fluorcell#2的光谱图像采集

完成图像立方体采集后，选择任意波长图像上感兴趣的一个区域，然后通过计算，以该区域上每个像素点的强度中值或平均值为纵坐标，波长值为横坐标，便绘制出了光谱曲线，也称为“面域光谱”，如上图中右下角曲线中的白点。所选定的区域还会被标记在系统的显示面板上。

此外，考虑到图像立方体中图像的个数有限，容易造成曲线的不平滑。所以，我们对光谱曲线进行拟合，采用三次样条内插的方法，使整个曲线看起来更加平滑。如图中右下方的曲线中红线。

除光谱曲线绘制的功能外，软件还增加了一些基本的图像处理功能，用来针对图像立方体中某一幅图像进行处理。主要有以下功能：彩色图像显示，RGB直方图，RGB阈值分割，灰度图显示，三维图，反相图，图像增强(图像均衡化，低通滤波，高斯滤波，平滑滤波)，边缘锐化(拉普拉斯)，灰度直方图，灰度阈值滤波，面积计算与统计，直线强度分布图。此外，为了方便对图像立方体中图像的整体了解，本系统设置了图像的Flash显示。即，按照一定的时间间隔，顺序显示多光谱图像。从效果来看，类似动画播放，使观察者对图像上目标的动态信息变化有更好地了解。这种方法同样可以应用于细胞形态变化的观察。

应用实验

1.栀子提取物抗病毒性研究

中药栀子性味苦寒、归心肺三焦经，能泻火除烦、清热利尿、凉血解毒，具通泻三焦火邪的功效，是中医药用于治疗温毒疫病的要药。病毒感染特性：病毒的感染有赖于病毒吸附蛋白(virus attachment protein，VAP )对细胞表面受体的吸附。病毒吸附蛋白是启动病毒与宿主细胞之间相互作用、建立感染损伤细胞的必然途径。

病毒与细胞受体的结合可以用荧光标记，将培养的人喉癌上皮传代细胞Hep-2和病毒作用分为三组：

(1)实验对照组y1，只加病毒，不加药

(2)先吸附，后加药组y2

(3)先加药，后吸附组y3

每组按照时间间隔2秒采集图像，得到各组的时间序列图像组，并利用荧光光谱分析系统对图像组进行分析：

1.首先以两秒为时间间隔，分别对三组细胞图像进行采集，各采10幅图。

2.然后对采集来的图像进行均衡化，平滑滤波以及高斯滤波。

3.在滤波后的图像上选择目标区域，并将所选区域以及该区域对应的原始图像区域进行显示与保存。

4.对图像进行阈值滤波，以减去细胞外的背景信息。

5.求得阈值滤波后细胞的像素面积。

6.分别比较三种情况下细胞面积的变化。

图5　Hep-2细胞抗病毒显微光谱分析

如图5所示，可以发现细胞在只加入病毒，和同时加入病毒和药物两种情况下变化趋势是不同的。前者，细胞在形态上没有明显的变化，而后者细胞在形态上都存在较大变化，呈变大的趋势。因此，可以认定加入栀子提取物对病毒的抑制作用很明显。

2.茶叶荧光性绿斑病的研究

在日照、临沂和泰安等地、市的茶园中，普遍发生一种茶树成叶病害，其主要症状表现为：叶片下表皮局部异常凸起，呈绿色，而且病斑处在光照下能发绿色荧光，如图6所示。

图6 茶叶的绿斑病

通过对病害症状演化的系统观测发现：此病害具有发绿色荧光的特性，且随病害程度的加重，荧光增强，容易与其它一般病害的症状区分开来。所以，掌握和利用这一特性可以帮助我们正确辨认此种病害。我们选定其中一病变区域的荧光测定光谱如图7。

图7 病变区荧光光谱

总结

显微荧光光谱成像技术是显微光谱成像技术中一种常用的方法，对于能够产生自体荧光和激发荧光的物质来说，显微荧光光谱成像技术具有显著的优势，包括无创性，可视性，精确性等特点。

本文基于LabVIEW软件构建的显微荧光光谱分析系统，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。系统功能结构复杂，所有工作在一年时间内完成，相比MSDN来说，大大节约了开发时间，且界面清洁美观、操作方便。