[发明专利]基于空频域混合式重建的超分辨结构光照明显微成像方法

权利要求书

1.一种基于空频域混合式重建的超分辨结构光照明显微成像方法，其特征在于：所述基于空频域混合式重建的超分辨结构光照明显微成像方法包括以下步骤：

1)产生条纹状照明光场，条纹状照明光场的强度分布表示为公式(1)：

其中：

r为二维平面的坐标；

d为不同的条纹方向，d＝1，2，3；

i为不同的相移步数，i＝1，2，3；

I_d为条纹状照明光场的平均光强；

m_d为条纹状照明光场的调制度；

k_d为条纹的波矢量；

为当前条纹状照明光场对应的相位；

2)利用步骤1)得到的条纹状照明光场分别在不同的条纹方向以及不同的相移步数的情况下照明并激发待测样品产生荧光信号；

3)采集荧光信号，获得由不同的条纹状照明光场激发的原始荧光图像，具体是：面阵数字相机分别采集由步骤2)产生的荧光信号，获得由不同的条纹状照明光场激发的原始荧光图像D_d，i(r)，其中：r为二维平面的坐标；d是不同的条纹方向，d＝1，2，3；i指示不同的相移步数，i＝1，2，3；

4)若原始荧光图像中的不包括离焦背景，则执行步骤5)；若原始荧光图像中包括离焦背景，则执行步骤6)；

5)利用空频域混合式重建算法处理不包括离焦背景的原始荧光图像，获得超分辨图像，具体是：

5.1)计算每幅原始荧光图像对应的权重图像w_d,i(r)：

根据每个条纹状照明光场的调制度m_d、波矢量k_d以及各条纹状照明光场的相位计算出每幅原始荧光图像对应的权重图像w_d,i(r)；

5.2)对原始荧光图像进行滤波：

设光学系统的光学传递函数为H(k)；

对原始荧光图像分别以光学系统的光学传递函数的共轭H^*(k)为滤波器进行低通滤波，得到滤波图像；

5.3)点乘：

将滤波图像分别与权重图像w_d,i(r)相点乘，并将所有相乘的结果叠加，得到未去卷积的超分辨图像I_{SR_woDeconv}(r)；

5.4)去卷积：

利用未去卷积的超分辨图像I_{SR_woDeconv}(r)和扩展光学传递函数的平方完成去卷积运算，获得最终的超分辨图像；

所述扩展光学传递函数的平方是将|H(k)|²按照不同的波矢量k_d进行平移、叠加得到的；

其中：

所述步骤5.1)中原始荧光图像对应的权重图像w_d,i(r)的表达式是：

其中：

m_d为条纹状照明光场的调制度；

k_d为波矢量；

为条纹状照明光场的初始相位；

为相移量；

所述步骤5.2)中光学系统的光学传递函数为H(k)的表达式是：

其中：

所述步骤5.2)中进行低通滤波的具体实现方式是：以光学系统的光学传递函数H(k)的共轭分布H*(k)为滤波器，对步骤3)所拍摄的原始荧光图像分别低通滤波，得到滤波图像Df_d，i(r)；

Df_d，i(r)＝ifft(fft(D_d，i)·H^*(k))；

所述步骤5.3)中未去卷积的超分辨图像I_{SR_woDeconv}(r)的表达式是：

其中：w_d,i(r)为原始荧光图像对应的权重图像；

所述步骤5.3)中的去卷积运算是指维纳去卷积、Richardson-Lucy去卷积、TotalVariation去卷积或Hessian去卷积；

当所述去卷积运算为维纳去卷积时，所述维纳去卷积的表达式为：

其中：

A(k)为切趾函数；

k代表频谱空间的二维坐标；

α为维纳去卷积参数；

所述切趾函数的表达式为

其中，k_d为扩展频谱的最大范围对应的频率；

所述步骤5.4)中扩展光学传递函数的平方的表达式是：

6)利用空频域混合式重建算法处理包括离焦背景的原始荧光图像，获得具有层析效果的超分辨图像，具体是：

6.1)计算每幅原始荧光图像对应的权重图像w_d,i(r)：

根据每个条纹状照明光场的调制度m_d、波矢量k_d以及各条纹状照明光场的相位计算出每幅原始荧光图像对应的权重图像w_d,i(r)；

6.2)对原始荧光图像进行滤波：

设光学系统的光学传递函数为H(k)，并引入衰减函数[1-a(k)]，其中a(k)是高斯分布；对步骤3)所拍摄的原始荧光图像分别以衰减的光学传递函数的共轭H*(k)[1-a(k)]为滤波器进行带通滤波，得到滤波图像；

6.3)点乘：

将滤波图像分别与权重图像w_d,i(r)相点乘，并将所有相乘的结果叠加，得到未去卷积的超分辨图像I_{SR_woDeconv_att}(r)；

6.4)去卷积：

利用未去卷积的超分辨图像I_{SR_woDeconv_att}(r)和扩展的衰减的光学传递函数的平方完成去卷积运算，获得最终的具有层析效果的超分辨图像；

所述扩展的衰减的光学传递函数的平方是将|H(k)|²[1-a(k)]按照不同的波矢量k_d进行平移、叠加得到的；

其中，所述步骤6.1)中原始荧光图像对应的权重图像w_d，i(r)的表达式是：

其中：

m_d为条纹状照明光场的调制度；

k_d为波矢量；

为条纹状照明光场的初始相位；

为相移量；

所述步骤6.2)中光学系统的光学传递函数为H(k)的表达式是：

其中：

所述步骤6.2)中的衰减函数的表达式是

其中：

a_att为衰减幅度参数，取值范围为从0～1；

k_σ为可调的经验参数；

所述步骤6.2)中进行带通滤波的具体实现方式是：以光学系统的衰减的光学传递函数H(k)[1-a(k)]的共轭分布H^*(k)[1-a(k)]为滤波器；对步骤3)所拍摄的原始荧光图像分别带通滤波，得到滤波图像Df_d，i(r)；

Df_d，i(r)＝ifff(fft(D_d，i)·H^*(k)[1-a(k)])；

所述步骤6.3)中未去卷积的超分辨图像I_{SR_woDeconv_att}(r)的表达式是：

所述步骤6.4)中的去卷积运算是指维纳去卷积、Richardson-Lucy去卷积、TotalVariation去卷积或Hessian去卷积；当所述去卷积运算为维纳去卷积时，所述维纳去卷积的表达式为：

其中：

A(k)为切趾函数；

k代表频谱空间的二维坐标；

α为维纳去卷积参数；

所述切趾函数的表达式为

所述k_d为扩展频谱的最大范围对应的频率；

所述步骤6.4)中扩展的衰减的光学传递函数的平方的表达式是：