荧光成像是一种非侵入性成像技术，可帮助观察生物体内发生的生物过程。图像可通过多种方法生成，包括：显微镜、成像探针和光谱学。荧光本身是一种发光形式，是物质吸收电磁辐射后发射一定波长的光而产生的。吸收光后重新发射光的分子称为荧光团。荧光成像通过拍摄荧光染料和荧光蛋白来标记分子机制和结构。它使人们能够通过实验观察活细胞中基因表达、蛋白质表达和分子相互作用的动态。它本质上是一种精确的定量工具，可用于生化应用。
当某种分子吸收光时，分子的能量会短暂地升高到更高的激发态。随后返回基态，导致发射可检测和测量的荧光。发射光是由吸收能量为 $h v$ 的光子产生的，具有特定的波长。事先知道这个波长很重要，这样在进行实验时，测量设备就知道要将波长设置为什么来检测光的产生。该波长由以下公式确定：
$$ \lambda_{\text {发射 }}=\frac{h c}{\text { 能量 }_{\text {发射 }}} $$
其中h=普朗克常数，c=光速。通常，此处使用大型扫描设备或 CCD 来测量强度并以数字方式拍摄图像。
可以采用不同的显微镜技术来改变图像的可视化和对比度。每种方法都有优点和缺点，但都利用相同的荧光机制来观察生物过程。
根据光感受器的输入荧光图像，我们想要计算每个外段（红色部分）相对于其内段（蓝色部分）的偏差。第一步是加载和显示数据。数据由形状为 (1024,1024,4) 的三维数组组成。第一幅图像不是我们应用程序的关注点，所以我们将忽略它。每个 (1024,1024) 数组都表示 uint32 中的荧光图像，第一个是蓝色，第二个是绿色，第三个是红色。
根据给定通道中的荧光强度计算彩色图像。
def gray2color(u,channel):
u_color = np.dstack((
rescale_intensity(u if channel==0 else np.zeros_like(u), out_range='float'),
rescale_intensity(u if channel==1 else np.zeros_like(u), out_range='float'),
rescale_intensity(u if channel==2 else np.zeros_like(u), out_range='float'),
))
return u_color
def display_initial_dataset(u):
R = u[:,:,3]
G = u [:,:,2]
B = u[:,:,1]
u_rgb = np.dstack((
rescale_intensity(R, out_range='float'),
rescale_intensity(G, out_range='float'),
rescale_intensity(B, out_range='float')
))
R_rgb = gray2color(R,0)
G_rgb = gray2color(G,1)
B_rgb = gray2color(B,2)
fig, ax = plt.subplots(1,4,sharex=True,sharey=True)
ax[0].imshow(u_rgb)
ax[0].set_title('Original color image')
ax[1].imshow(R_rgb)
ax[1].set_title('Red channel')
ax[2].imshow(G_rgb)
ax[2].set_title('Green channel')
ax[3].imshow(B_rgb)
ax[3].set_title('Blue channel')
return (ax, fig)
从布尔映射中获取具有属性的形状列表。
def get_cells_from_bool(mask, plot=False):
label_image = label(mask)
cells = []
for region in regionprops(label_image):
cells.append(region)
if plot:
image_label_overlay = label2rgb(label_image, alpha=0.2, bg_label=0)
plt.imshow(image_label_overlay)
plt.title('Detected cells ' + str(len(cells)))
return cells
在此步骤中，您应该将每个外部段放在一个列表中，其中包含由 regionprops 计算的几个属性。现在的目标是循环遍历外部段并要求用户使用 plt.ginput 手动选择一些点。为了帮助用户，您可以绘制描述每个部分方向的不同向量：
然后，计算每对向量之间的角度。为此，我们需要做一些几何工作。给定两个点 a 和 b 的坐标：
$$ a=\binom{x_1}{y_1} \quad b=\binom{x_2}{y_2} $$
向量 $\overrightarrow{a b}$ 可以写成：
$$ \overrightarrow{a b}=\binom{x_2-x_1}{y_2-y_1} $$
计算 $\overrightarrow{a b}$ 和 $\overrightarrow{u_x}$ 之间的点积，我们有：
$$ \overrightarrow{a b} \cdot \overrightarrow{u_x}=\|\overrightarrow{a b}\| \times\left\|\overrightarrow{u_x}\right\| \times \cos \left(\overrightarrow{a b}, \overrightarrow{u_x}\right) $$
我们将 $\overrightarrow{a b}$ 和 $\overrightarrow{u_x}$ 之间的角度称为 $\alpha$，我们可以用以下等式计算它：
$$ \alpha=\arccos \left(\frac{x_2-x_1}{\sqrt{\left(x_2-x_1\right)^2+\left(y_2-y_1\right)^2}}\right) $$