多焦结构化照明显微系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了用于生成样本的多焦图案的多焦选择性照明显微(SIM)系统。该多焦SIM系统对完全扫描样本的一系列多焦图案中的每个多焦图案执行聚焦、缩放及求和操作以产生高分辨率合成图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用这是一件PCT专利申请，要求提交于2012年2月23日的美国临时专利申请N0.61/602，139的优先权，其整体通过引用并入此处。
本申请涉及多焦结构化照明显微，尤其涉及多焦结构化照明显微系统以及用于产生由样本的多焦图案引起的多个多焦荧光发射的方法。
技术介绍
经典的荧光显微在分辨率方面受到光的波长的限制，这称为“衍射极限”，当样本发射由显微镜检测的焚光时，在典型的激发和发射波长下的横向分辨率限制为大约200nm，轴向分辨率限制为大约500nm。共焦显微是一种光学成像技术，其用以通过使用点照明和空间针孔布置从厚于焦平面的标本消除离焦发射光，从而将光学分辨率提高超过衍射极限，因而通过要求紧密关闭针孔的方法以衍射极限1.41倍的分辨率来传输图像。不幸地是，关闭针孔会将从样本发射的光的信号水平降低到一定程度，导致该特定的超分辨率方法不实用。此外，共焦显微镜必须使来自显微镜的照明光束的激发与针孔/检测器完美地对准，因为未对准的针孔会引起正在检测的光信号降低和变弱，以及引起样本本身的轴向光学断层降低。这样，共焦显微镜的未对准会引起光信号的降低。 已经发现了用于共焦显微的分辨率增强的方法，该方法使用检测器阵列(诸如照相机图像中的像素)，其中阵列中的每个检测器产生独立的共焦图像。如果检测器阵列充分小，则每个形成的共焦图像能够等同于由具有紧闭针孔的共焦显微镜形成的类似的共焦图像，使得当共焦图像完全对准时实现了衍射极限显微镜的1.41倍的分辨率。此外，反卷积提供了图像分辨率的进一步的提高。但是，该检测器阵列布置会受到限制，因为在样本的整个二维平面中仅扫描单个激发点，这会限制能够扫描样本的速度以及对样本的荧光发射的后续检测。 另一类型显微称为结构化照明显微(SM)，其以空间调制激发强度来照明样本，空间调制激发强度相对于样本平移和旋转于不同位置，在每次平移和旋转时获取宽视野图像。适当地处理原始图像形成了最终图像，最终图像具有的横向分辨率是常规宽视野显微的横向分辨率的两倍。虽然这种SIM系统生成了具有常规显微镜的2倍空间分辨率的图像，但是当产生最终图像时却牺牲了时间分辨率，因为需要时间来采集多个原始图像中的每个。SIM还可以用来抑制离焦模糊，公知为“光学断层”。但是，这种光学断层是以计算方式来执行的，并且会受到散粒(泊松)噪声。因而当背景荧光会引起该散粒噪声贡献超过焦点内信号时，SIM不适用于厚的或者高染色的样本。 这样，本领域中需要结构化照明显微系统，其产生用于每个高分辨率图像的样本的多焦激发图案，而不会牺牲扫描速度，并且对可能会干扰SIM图像的散粒噪声有抵抗力。
技术实现思路
在实施例中，显微系统可以包括:光源，用于发送单个光束；以及分束器，用于将单个光束分成形成多焦图案的多个光束。扫描器将形成多焦图案的多个光束扫描到样本上，使得样本生成由每个多焦图案引发的多个荧光发射。接着，聚焦部件限定了孔径，所述孔径构造为物理地阻挡由每个多焦图案引发的多个荧光发射的离焦荧光发射，以及允许焦点内荧光发射通过所述孔径。此外，缩放部件缩小由每个多焦图案引发的多个焦点内荧光发射，使得所述多个焦点内荧光发射中的每个被缩小预定因子，以产生由每个多焦图案引发的多个缩小的焦点内荧光发射。求和部件对所述多个缩小的焦点内荧光发射中的每个求和，以产生多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射，所述多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射形成所述多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射的合成图像。 在另一实施例中，显微系统可以包括:光源，用于发送单个光束；分束器，用于将单个光束分成形成多个多焦图案的多个光束，其中，多个多焦图案中的每个限定多个焦点；扫描器，用于将形成多焦图案中的每个的多个光束扫描在样本上，使得样本生成由多焦图案中的每个所引发的多个荧光发射，其中，多个多焦图案中的每个限定多个荧光焦点；检测器，用于收集由多焦图案中的每个所引发的所述多个荧光发射；以及处理系统，用于处理从所述检测器收集的多焦荧光发射，所述处理系统包括处理器，所述处理器与数据库操作通信，所述数据库用于存储多个已收集的多焦荧光发射，其中，所述处理器移除由多个多焦图案中的每个所引发的离焦荧光发射，从而仅留下由多个多焦图案中的每个所引发的焦点内荧光发射，其中，所述处理器接着在局域收缩操作中对由多个多焦图案中的每个所引发的焦点内荧光发射进行缩放，在局域收缩操作中，当所述多个荧光发射收缩以产生缩小的焦点内荧光发射时，由多焦图案中的每个所引发的所述多个荧光发射中的每个与由多焦图案引发的其他多个荧光发射保持相同比例距离；其中，所述处理器对多个多焦焦点内荧光发射求和，以产生合成图像。 在又一实施例，用于多焦结构化照明显微的方法可以包括: 生成单个光束； 将单个光束分成多个光束，多个光束中每个的焦点形成多个多焦图案； 用形成多个多焦图案中的每个的所述多个光束来照明样本，其中，受照样本产生由多个多焦图案中的每个所引发的多个荧光发射； 执行针孔操作，在所述针孔操作期间，阻挡所述多个荧光发射之中的离焦荧光发射，并且仅允许所述多个荧光发射之中的焦点内荧光发射通过； 以预定因子缩放由多个多焦图案引发的多个焦点内荧光发射的每个焦点，以产生由多个多焦图案引发的多个缩小的焦点内荧光发射；以及 对所述多个缩小的焦点内荧光发射中的每个求和，以形成合成图像。 在以下说明中将指出额外的目的、优势和新颖特征，在查阅附图和其后的详细说明后本领域的技术人员将清楚这些内容。 【附图说明】 图1是图示出用于在多焦结构化照明显微(SIM)系统中生成多焦图案的一个方法的简化框图； 图2是图示出用于在多焦SIM系统的另一实施例中生成多焦图案的另一方法的简化框图； 图3是示出用于图1的多焦SIM系统的一个实施例的各种部件的简化图； 图4是示出用于图2的多焦SIM系统的一个实施例的各种部件的简化图； 图5是示出具有多个焦点的多焦图案的简化图；以及 图6是示出缩放操作的简化图，缩放操作对由样本所发射的多焦图案引起的焦点内荧光发射进行缩放； 图7是图示出用图4的多焦SIM系统中的处理系统进行缩放及求和操作的方法的流程图； 图8是图示出当执行处理系统的离焦荧光抑制、缩放及求和操作时用于获得网格向量的一个方法的流程图； 图9是图示出当执行处理系统的离焦荧光抑制、缩放及求和操作时用于获得偏移向量的一个方法的流程图； 图10是图示出当执行处理系统的离焦荧光抑制、缩放及求和操作时用于获得漂移向量的一个方法的流程图； 图11是图示出当执行处理系统的离焦荧光抑制、缩放及求和操作时用于针孔掩膜的一个方法的流程图； 图12是图示出当执行处理系统的离焦荧光抑制、缩放及求和操作时用于缩放和局域收缩的一个方法的流程图； 图13是图示出当执行处理系统的离焦荧光抑制、缩放及求和操作时用于求和的一个方法的流程图； 图14是示出在测试多焦SIM系统的一个实施例期间所使用的照明系统的简化图； 图15图示了嵌入荧光封片剂中的样本的各种图像； 图16图示了嵌入荧光封片剂中的双标记三维样本的各种图像；以及 图17图示了在针孔聚焦、缩放和三维反卷积之后使用多焦照明系统的样本的各种图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种显微系统，包括：光源，用于发送单个光束；分束器，用于将所述单个光束分成形成多焦图案的多个光束；扫描器，用于将形成所述多焦图案的所述多个光束扫描到样本上，使得所述样本通过每个多焦图案生成多个荧光发射；限定了孔径的聚焦部件，所述孔径构造为阻挡针对每个多焦图案的所述多个荧光发射的离焦荧光发射，以及允许焦点内荧光发射通过所述孔径；缩放部件，用于缩小针对每个多焦图案的多个焦点内荧光发射，使得所述多个焦点内荧光发射中的每个被缩小，以产生针对每个多焦图案的多个缩小的焦点内荧光发射；以及求和部件，用于对所述多个缩小的焦点内荧光发射中的每个求和，以产生多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射，所述多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射形成所述多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射的合成图像。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.23 US 61/602,1391.一种显微系统，包括: 光源，用于发送单个光束； 分束器，用于将所述单个光束分成形成多焦图案的多个光束； 扫描器，用于将形成所述多焦图案的所述多个光束扫描到样本上，使得所述样本通过每个多焦图案生成多个荧光发射； 限定了孔径的聚焦部件，所述孔径构造为阻挡针对每个多焦图案的所述多个荧光发射的离焦荧光发射，以及允许焦点内荧光发射通过所述孔径；缩放部件，用于缩小针对每个多焦图案的多个焦点内荧光发射，使得所述多个焦点内荧光发射中的每个被缩小，以产生针对每个多焦图案的多个缩小的焦点内荧光发射；以及求和部件，用于对所述多个缩小的焦点内荧光发射中的每个求和，以产生多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射，所述多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射形成所述多个已求和的、缩小的焦点内荧光发射的合成图像。2.根据权利要求1所述的显微系统，其中，所述分束器是微透镜阵列。3.根据权利要求1所述的显微系统，其中，所述聚焦部件是针孔阵列。4.根据权利要求1所述的显微系统，其中，所述缩放部件是多个微透镜阵列。5.根据权利要求1所述的显微系统，其中，每个多焦图案限定用于所述多个焦点内荧光发射中每个的多个相应焦点，其中，所述缩放部件以局域收缩方式缩放所述多个焦点，在局域收缩中，当所述多个荧光发射收缩了预定因子时，所述多焦图案中的多个焦点中的每个与所述多焦图案的其他多个焦点保持相同比例的距离。6.根据权利要求1所述的显微系统，进一步包括: 处理子系统，用于对所述合成图像去卷积。7.根据权利要求1所述的显微系统，其中，所述扫描器将由所述样本发射的所述多个荧光发射去扫描至所述聚焦部件。8.根据权利要求1所述的显微系统，进一步包括: 分色镜，用于允许所述多个光束在一个方向上通过，并且在相反方向上重新引导所述多个荧光发射。9.根据权利要求1所述的显微系统，进一步包括: 第一透镜，用于将所述多个光束成像通过管透镜以及物镜，以照明所述样本。10.根据权利要求1所述的显微系统，其中，所述多个光束具有的波长在350nm至1200nm 之间。11.根据权利要求1所述的显微系统，其中，所述多个荧光发射具有的波长在350nm至1200nm 之间。12.根据权利要求11所述的显微系统，进一步包括: 发射滤波器，用于允许大约350nm至1200nm的缩小的、焦点内荧光发射通过以到达检测器。13.根据权利要求1所述的显微系统，进一步包括: 检测器，用于检测多个缩小的焦点内荧光发射。14.根据权利要求12所述的显微系统，其中，所述扫描器将所述缩小的焦点内荧光发射重新扫描至所述检测器。15.—种显微系统，包括: 光源，用于发送单个光束； 分束器，用于将所述单个光束分成形成多个多焦图案的多个光束，其中，多焦图案中的每个限定多个焦点； 扫描器，用于将形成多焦图案中的每个的多个光束扫描到样本上，使得所述样本生成多焦图案中的每个中的多个多焦荧光发射，多焦图案中的每个限定多个荧光焦点； 检测器，用于收集由多焦图案中的每个所引发的所述多个多焦荧光发射；以及处理系统，用于处理所述检测器收集的、由多焦图案中的每个所引发的所述多个多焦荧光发射，所述处理系统包括: 处理器，与数据库操作通信，所述数据库用于存储由多焦图案引发的多个收集的多焦荧光发射，其中，所述处理器对于多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·什罗夫，A·约克，
申请(专利权)人：美国卫生与公共服务秘书部，
类型：发明
国别省市：美国;US