荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统，其中，所述荧光多分子定位方法通过采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；之后对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；之后基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置，采用基于频域压缩感知的正交匹配追踪算法实现多分子纳米定位，具有更快的计算速度，大大减少重构所需的时间。

【技术实现步骤摘要】
荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统
本专利技术涉及显微成像
，特别涉及荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统。
技术介绍
荧光显微成像因其具有非侵入性和时间分辨成像的特性被广泛应用于分子和细胞生物学。尽管具有这些优势，然而，标准的荧光显微镜由于受光学衍射极限的限制，对小于衍射极限的小尺度样品来说，无法分辨。光敏定位显微(PALM)、随机光学重建显微(STORM)等技术，通过单分子开关，能够高精度的定位分子的位置，通过随机稀疏的激发分子，定位分子，去激活，重复以上过程，从而可以突破横向约200nm的衍射极限获得纳米级超分辨图像。然而为了达到纳米级的空间分辨率，通常需要数千帧图像重构，重构时间需要几十秒。使用强激光激发可以提高分子开关转换速率，但是这样会引起光漂白，并且强激光对活细胞样品会有损伤，引起信号的衰减。为了提高时间分辨率，又不引起样品损伤，可以使每帧图像提高激活的分子密度，但是高分子密度图像可能会引起重叠，传统的单分子定位算法无法精确实现定位。现有技术为了实现高密度单分子定位，提出了一系列算法如：最大似然估计中的DAOSTORM，贝叶斯统计，FSSTORM等，其相对于单分子拟合算法，识别分子密度有了一定的提高，但是计算速度均比较慢。因而现有技术还有待改进和提高。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统，采用基于频域压缩感知的正交匹配追踪算法实现多分子纳米定位，具有更快的计算速度，大大减少重构所需的时间。为了达到上述目的，本专利技术采取了以下技术方案：一种荧光多分子定位方法，其包括如下步骤：采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置。所述的荧光多分子定位方法中，所述采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像的步骤中，所述荧光图像为：其中Nq为单个荧光分子发出的光子数，σ为高斯函数的标准差，(x,y)为图像上的坐标，(xq,yq)为荧光分子的坐标位置，b为噪声的强度。所述的荧光多分子定位方法中，所述对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱的步骤中，所述荧光图像的傅里叶频谱为：其中，M，N为图像的像元数，F(k，l)为光学系统在像元(k，l)处的光学传递函数，B[k，l]为像元(k，l)处的噪声的傅里叶变换。所述的荧光多分子定位方法中，所述对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典的步骤包括：基于方程对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，其中λ为根据图像的噪声大小预设的系数；将解卷积之后的图像矩阵转换为向量形式，并根据图像大小构造相应的傅里叶字典，得到g＝Av，其中g是由解卷积之后的图像，A为傅里叶字典，v是由Nq组成的向量元素。所述的荧光多分子定位方法中，基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置的步骤包括：对参数进行初始化，另残差r0＝g,被选原子索引集φ为空集，迭代次数i＝0；基于方程找出索引值ti，并添加索引值到被选原子索引集其中d为矩阵A的列数；计算由被选原子展成的正交投影Pi；计算出待求的近似解与残差：ai＝Pig,ri＝g-ai；判断i是否小于等于K，若是，则另i＝i+1，并继续基于方程找出索引值后添加索引值到被选原子索引集若否，计算在处的近似值，其中K为预估分子数，为第K次迭代得到的索引集，为定位后的像素值。一种超分辨成像方法，其包括如下步骤：采集多幅由多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；采用如上所述的荧光多分子定位方法对每幅荧光图像中的荧光分子进行定位，得到其坐标位置；对定位后的所有荧光图像进行累加，根据全部荧光分子的坐标位置描绘出超分辨荧光图像。一种荧光多分子定位装置，其包括：采集模块，用于采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；傅里叶变换模块，用于对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；解卷积模块，用于对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；定位模块，用于基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置。所述的荧光多分子定位装置中，所述解卷积模块包括：解卷积单元，用于基于方程对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，其中λ为根据图像的噪声大小预设的系数；转换单元，用于将解卷积之后的图像矩阵转换为向量形式，并根据图像大小构造相应的傅里叶字典，得到g＝Av，其中g是由解卷积之后的图像，A为傅里叶字典，v是由Nq组成的向量元素。所述的荧光多分子定位装置中，所述定位模块包括：初始化单元，用于对参数进行初始化，另残差r0＝g,被选原子索引集φ为空集，迭代次数i＝0；搜寻单元，用于基于方程找出索引值ti，并添加索引值到被选原子索引集其中d为矩阵A的列数；第一计算单元，用于计算由被选原子展成的正交投影Pi；第二计算单元，用于计算出待求的近似解与残差：ai＝Pig,ri＝g-ai；判断定位单元，用于判断i是否小于等于K，若是，则另i＝i+1，并继续基于方程找出索引值后添加索引值到被选原子索引集若否，计算在处的近似值，其中K为预估分子数，为第K次迭代得到的索引集，为定位后的像素值。一种超分辨成像系统，其包括：图像采集器，用于采集多幅由多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；如上所述的荧光多分子定位装置，用于对每幅荧光图像中的荧光分子进行定位，得到其坐标位置；重构模块，用于对定位后的所有荧光图像进行累加，根据全部荧光分子的坐标位置描绘出超分辨荧光图像。相较于现有技术，本专利技术提供的荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统中，所述荧光多分子定位方法通过采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；之后对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；之后基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置，采用基于频域压缩感知的正交匹配追踪算法实现多分子纳米定位，具有更快的计算速度，大大减少重构所需的时间。附图说明图1为本专利技术提供的荧光多分子定位方法的流程图。图2为本专利技术提供的超分辨成像方法的流程图。图3为本专利技术提供的荧光多分子定位装置的结构框图。图4为本专利技术提供的超分辨成像系统的结构框图。图5a为本专利技术第一实施例提供的荧光多分子定位方法的理论模拟图(一)。图5b为本专利技术第一实施例提供的荧光多分子定位方法的理论模拟图(二)。图5c为本专利技术第一实施例提供的荧光多分子定位方法的理论模拟图(三)。图6a为本专利技术第二实施例提供的超分辨成像方法的成像示意图(一)。图6b为本专利技术第二实施例提供的超分辨成像方法的成像示意图(二)。具体实施方式鉴于现有技术中荧光多分子定位计算速度较慢、重构时间长等缺点，本专利技术的目的在于提供荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种荧光多分子定位方法，其特征在于，包括如下步骤：采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置。

【技术特征摘要】
1.一种荧光多分子定位方法，其特征在于，包括如下步骤：采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置。2.根据权利要求1所述的荧光多分子定位方法，其特征在于，所述采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像的步骤中，所述荧光图像为：，其中Ni为单个荧光分子发出的光子数，σ为高斯函数的标准差，(x,y)为图像上的坐标，(xq,yq)为荧光分子的坐标位置，b为噪声的强度。3.根据权利要求1所述的荧光多分子定位方法，其特征在于，所述对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱的步骤中，所述荧光图像的傅里叶频谱为：其中，M，N为图像的像元数，F(k，l)为光学系统在像元(k，l)处的光学传递函数，B[k，l]为像元(k，l)处的噪声的傅里叶变换。4.根据权利要求1所述的荧光多分子定位方法，其特征在于，所述对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典的步骤包括：基于方程对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，其中λ为根据图像的噪声大小预设的系数；将解卷积之后的图像矩阵转换为向量形式，并根据图像大小构造相应的傅里叶字典，得到g＝Av，其中g是由解卷积之后的图像，A为傅里叶字典，v是由Nq组成的向量元素。5.根据权利要求1所述的荧光多分子定位方法，其特征在于，基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置的步骤包括：对参数进行初始化，另残差r0＝g,被选原子索引集φ为空集，迭代次数i＝0；基于方程找出索引值ti，并添加索引值到被选原子索引集其中d为矩阵A的列数；计算由被选原子展成的正交投影Pi；计算出待求的近似解与残差：ai＝Pig,ri＝g-ai；判断i是否小于等于K，若是，则另i＝i+1，并继续基于方程找出索引值后添加索引值到被选原子索引集若否，计算在处的近似值，并将当前的vi作为荧光分...

【专利技术属性】
技术研发人员：于斌，张赛文，曹慧群，陈丹妮，屈军乐，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44