[发明专利]空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法及系统

说明书

本发明涉及一种空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法及系统，可广泛应用于生物学、医学、材料科学及微电子学等领域的研究。解决了当前结构光照明超分辨图像重构方法因操作复杂、耗时严重所导致的超分辨显微实时动态观测困难的问题，与传统频域SIM超分辨图像重构方法相比，本发明完全在空域中运算，避免了频谱分离、频谱移动、频谱融合等过程，避免了耗时的多次正/逆傅里叶变换运算，可完全避免频谱操作所引起的伪影噪声问题；用于超分辨重构的解调矩阵可预先生成，涉及的运算只是乘法和加法运算，过程简单易行，从而大幅提高SIM超分辨图像的重构速度。

技术领域

本发明涉及一种空域中直接重构结构光照明超分辨图像的快速方法，可广泛应用于生物学、医学、材料科学及微电子学等领域的研究。

背景技术

传统光学显微镜的空间分辨率受制于光的衍射极限，仅能达到半个光波长量级，极大地限制了光学显微镜的应用范围，例如在活体生物细胞内结构的成像上。实现高空间分辨率成像一直是光学显微领域的重要研究课题之一。通过借助荧光分子来标记样品，光学显微技术的成像信噪比和对比度显著提高。基于荧光分子对照明光的强度响应机制，多种超分辨荧光显微技术被提出，例如光激活定位荧光显微技术(Photo-ActivationLocalization Microscopy，简称PALM)、随机光学重构荧光显微技术(Stochastic OpticalReconstruction Microscopy，简称STORM)、受激辐射损耗荧光显微技术(StimulatedEmission Depletion microscopy，简称STED)、结构光照明荧光显微技术(StructuredIllumination Microscopy，简称SIM)等。目前超分辨荧光显微成像技术的最高分辨率已接近电子显微镜的分辨水平，为现代生物医学提供强有力的工具，亦将相关研究推向新的深度。在超分辨荧光显微技术中，SIM具有成像速度快、对荧光分子无特殊要求、光漂白和光毒性小等众多优点，尤其适合高分辨率下的活体细胞长时间动态观测。根据荧光对照明光的线性和非线性响应，可以将SIM分为线性SIM和非线性SIM。线性SIM采用强度呈余弦分布的结构光场对样品照明，激发的荧光光场分布与照明光场成线性关系，具有超越衍射极限两倍的空间分辨率。由于显微系统的空间分辨率取决于它能收集到的最大空间频率f₀，而f₀取决于系统的光学传递函数OTF。当样品包含的高频信息ff₀时，样品的细节不能被分辨。如果使用空间频率为f₁的余弦条纹结构光照明样品，则会产生空间频率为f_m＝|f-f₁|的低频莫尔条纹。莫尔条纹实际上是样品与结构光场的拍频信号，它包含有样品超衍射分辨的高频信息f。由于f_mf₀，莫尔条纹可以被显微系统记录下来，然后通过算法解调就可以提取出样品的高频信息f，进而重构出样品的高分辨率图像。非线性SIM在线性SIM的理论基础上发展而来，利用荧光分子对照明光强的非线性响应特性，激发产生的荧光光场呈显具有更高阶频率的梯形波或方形波分布，所形成的莫尔条纹中含有的样品高频率成分会更多，最后重构出的样品细节也会更丰富。超分辨图像重构方法是SIM的核心技术。当前的图像重构方法主要在空间频域中处理数据(简称为FDR方法)，它的缺点主要在于：首先，需要经过傅里叶变换、频谱分离、频谱移动、频谱融合和逆傅里叶变换等过程，步骤繁多；其次，多次正/逆傅里叶变换运算使得重构耗时非常严重。为了重构一幅超分辨图像，线性SIM一般需要采集6幅或9幅结构光照明图像进行运算，而非线性SIM则需要更多。随着图像尺寸增加，重构耗时会更加显著。最后，对图像数据的频率成分进行操作(分离、移动、融合)容易带来伪影噪声，掩盖样品的真实细节。正因为传统超分辨图像重构方法的这些缺点，导致当前SIM系统难以实时超分辨动态观测样品，阻碍SIM在活体亚细胞动态观测中的应用。

发明内容