[发明专利]高速高分辨宽场层析成像方法及装置

说明书

本发明公开了一种高速高分辨宽场层析成像方法及装置，其中，该方法包括以下步骤：采集低光强度图像；采集高光强度图像；根据所述低光强度图像和所述高光强度图像采集中的光照关系，将所述低光强度图像和所述高光强度图像进行线性变换，获得宽场高分辨图像。该方法解决了现有的宽场时空聚焦方法虽然实现了高速大视场的成像，但是受到原理限制，激发光难以填满物镜后瞳面，因此空间分辨率难以达到衍射极限的问题，在现有宽场时空聚焦系统的基础上结合荧光饱和特性，实现高速高分辨宽场层析成像。

技术领域

本发明涉及光学显微技术领域，特别涉及一种高速高分辨宽场层析成像方法及装置。

背景技术

在生物学研究中，基于光学方法获取物体的高分辨率图像的光学显微成像技术以其独特优势广泛应用于微观物体的结构成像和功能信号探测中。然而，光学显微成像系的各项指标受到物理原理和机械装置的限制，往往无法同时满足。现有的显微成像技术中，普通宽场单光子系统实现高速大视场成像，但是其成像穿透深度小，且不具备层析能力，难以实现三维成像；光片成像虽然可以实现较大视场的层析成像，但是无法应用于强散射介质的样品中。多光子点扫描成像技术利用非线性光学效应激发局域信号，具有亚微米级的空间分辨率和较强的层析能力。此外，多光子成像系统的激发波长相比于单光子系统的激发波长更长，可实现较深的穿透深度，但是由于其基于点扫描模式，时间分辨率与视场相互制约，难以同时满足一些实际需求。

为了在散射生物组织中实现高速宽视场层析成像，基于多光子非线性效应的时空聚焦技术被提出。该技术的核心原理是对光脉冲的时间维度进行整形，从而使得光脉冲仅在聚焦面处达到最短脉冲宽度，获得最高的多光子激发效率。相比于宽场单光子系统，由于引入了光脉冲的时间维度，因此时空聚焦系统具有层析能力以及较高的信噪比；相对于多光子点扫描成像技术，该技术可对一定面积的区域并行激发，提高了大视场成像的成像速度。宽场时空聚焦的具体方法是，首先采用色散器件对光脉冲在时间上展宽，使能量分散，之后通过4f系统将展宽的光脉冲重新在聚焦面上会聚，从而基于非线性光学效应实现宽场层析激发。

虽然宽场时空聚焦系统解决了时间分辨率和视场之间的矛盾，而且具有层析能力。但是在该系统中，物镜后焦面上的光斑通常无法完全物镜后焦面，因此其空间分辨率难以达到光学衍射极限。为提高时空聚焦技术的空间分辨率，使其能达到甚至超越光学衍射极限，人们提出了许多方法，如SIM,、HiLo，焦点调制等方法。但是这些方法通常在原有系统的基础上引入光相位调制器件，这增加了系统的复杂性。而且，引入光相位调制器件会减少样本面上的能量，进而造成信噪比下降。因此，在不增加系统复杂性的情况下，实现高速高分辨宽场层析成像是当前挑战。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种高速高分辨宽场层析成像方法，该方法在保证系统性能前提下，进一步提升空间分辨率。

本发明的另一个目的在于提出一种高速高分辨宽场层析成像装置。

为达到上述目的，本发明一方面提出了高速高分辨宽场层析成像方法，包括以下步骤：采集低光强度图像；采集高光强度图像；根据所述低光强度图像和所述高光强度图像采集中的光照关系，将所述低光强度图像和所述高光强度图像进行线性变换，获得宽场高分辨图像。

本发明实施例的高速高分辨宽场层析成像方法，通过宽场时空聚焦成像系统实现高速大视场层析成像。并利用荧光饱和特性，实现高空间分辨率成像，此外，本发明实施例包括宽场时空聚焦系统和基于荧光饱和特性的算法处理，在高速宽场的前提下，可以实现高空间分辨率的层析成像。

另外，根据本发明上述实施例的高速高分辨宽场层析成像方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集低光强度图像进一步包括：在低光照情况下，样本荧光均不发生饱和时，采集所述低光强度图像。