[发明专利]基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及超分辨成像技术领域，特别是一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像(STORM)装置。

背景技术

当今纳米科技的发展离不开纳米显微成像技术，这方面以电子扫描显微镜和原子力显微镜为代表已成为许多实验室的标准配置。然而研究纳米尺度下的电子结构、声子态和等离激元等微观内部状态方面，光学探测技术具有了强大的优势，但受光学衍射极限的限制，它的成像分辨率不能小于λ/(2NA)，其中λ是成像光波长，NA是透镜的数值孔径，使得成像分辨率一般大于180纳米，显微分辨率很难提高。为此研究者们从两种途径来不断推进空间分辨率：1)采用纳米尺寸探针和近场成像技术，使光学成像空间分辨率达到10纳米左右。结合原子力显微镜和表面拉曼增强技术可以进一步提高空间分辨率；2)基于传统的光学远场成像——光学显微镜的基础上不断改进。研究者们从光学共焦显微镜到双光子荧光显微镜到4PI成像技术等，将三维远场成像分辨率推进到100纳米区域。随着受激辐射倒空(STED),基态倒空(GCD),随机光学重建超分辨成像(STORM)，光激活定位超分辨成像(PALM)等新技术相继被提出，从概念上突破了光学衍射极限的限制，把光学显微技术真正提高到了纳米量级。

上述的超分辨成像技术中，大部分都是基于宽场成像，其中STORM依靠的基本原理是基于荧光染料的开关，每次激活少量的荧光染料，通过单分子点扩散函数拟合对其定位，以此来实现超分辨率成像。单次采样中如果激活大量荧光染料，会使得无法用此技术中的点扩散函数对每个荧光标记物进行精确定位，从而无法达到超高分辨的分辨率，所以只能通过增加采样次数来完成整个图像的采集。经过足够多次的采样后，获得一系列的图片进行处理从而重构出最终的图像。这就决定了此技术在达到超高分辨率的同时，存在着一个比较严重的问题就是其成像速度被大大制约，通常来说需要几分钟至几十分钟(针对不同的样品成像时间不同，有的样品甚至可能需要几小时)来采集到一幅图像。所以，虽然此技术能够达到非常高的分辨率，但是由于测量时间过长，无法对样品中发生的动态过程进行实时的跟踪测量，通常只能对一些固定的或时间分辨率要求不高的生物样品进行研究。另外，并不是所有的荧光基团都能够被这类方法所识别，通常需要能互相激活的荧光染料对，或者一些特定荧光染料才能够运用到此技术中。为解决上述问题，一方面可以通过采用时分复用的技术，在相同的时刻同时定位不同位置的荧光分子来提高时间分辨率；另一方面可以通过开发新型的高通亮的光控开关荧光分子，增加单位时间内激发的荧光光子数，从而缩短采集时间。压缩感知算法被发现有很大的潜力用于提高宽场超分辨成像技术的采样效率，包括提出STORM技术的庄小威研究组在内的几个研究组也开始研究利用不同的压缩感知算法，希望从信号处理的角度进一步缩短上述光学超分辨成像技术的采样时间，但是其采用的测量矩阵都是类随机矩阵，并不能把稀疏约束的压缩特性充分发挥。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于稀疏约束的快速STORM纳米荧光成像系统及方法，利用随机光学重构中信号本身的稀疏特性，设计对应的测量矩阵，对信号进行整体随机重构，严格满足了稀疏特性和非相干性条件，最大限度的发挥压缩感知技术性能，在时空域上进行超分辨。

本发明采用以下技术方案，一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统，该系统至少包括用于产生多色激发光的激发光源模块；接收所述多色激发光后形成准直激发光的光纤耦合与全内反射模块；对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测的整合模块；控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块的时序电机控制模块；探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理的成像采集分析软件包。

本发明还提供一种实现快速随机光学重构成像方法，该方法包括以下步骤：

1)、激发光源模块产生多色激发光并输出；

2)、光纤耦合与全内反射模块接收所述多色激发光后形成准直激发光并输出；

3)、整合模块接收所述准直激发光并对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测；

同时，时序电机控制模块控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块；成像采集分析软件包探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理。