用于获得对象的超分辨率图像的成像方法和系统技术方案

用于基于光学显微镜(21)获得对象(5)的超分辨率图像(22)的方法，该光学显微镜包括用于支承对象的支撑板(6)、用于将照射光束(14)聚焦到支撑板的目标区域上的照射源(1)、包括传感器矩阵的数码相机(9)，该方法包括：通过数码相机捕捉目标区域的第一图像；从第一图像提取由传感器矩阵的子矩阵(B0)提供的第一像素值块；通过移动块将支撑板沿着移动轴线移动亚衍射极限距离；通过数码相机捕捉目标区域的第二图像；从第二图像提取由传感器矩阵的子矩阵(B0)提供的第二像素值块；将所述第一像素值块和所述第二像素值块存储成沿着对应于移动轴线的图像轴线(X，Y)互相紧邻地置于超分辨率图像中的第一像素值块和第二像素值块。

Imaging method and system for obtaining super-resolution images of an object

Based on the optical microscope (21) is used to obtain the object (5) super resolution image (22) method, the optical microscope comprises a support plate for supporting the object (6), (14) for the radiation beam to focus radiation source target area on the support plate (1), including the sensor matrix the digital camera (9), the method includes: a first image capturing target area by the digital camera; extracted from the sensor matrix matrix from the first image (B0) provides the first pixel value block; the support plate moves along the axis of movement of sub diffraction limit distance by moving the block; capture second images of the target area through the digital camera; extracted from the sensor matrix matrix from the second image (B0) provides second pixel values; the first pixel block and the second block are stored as image pixel values along the axis corresponding to the moving axis (X, Y) A first pixel value block and a second pixel value block placed in a super-resolution image adjacent to each other.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于获得对象的超分辨率图像的成像方法和系统
本专利技术总体上涉及使用光学显微镜产生小对象的放大图像的领域。更具体地，本专利技术涉及一种用于基于光学显微镜获得对象的超分辨率图像的成像方法，该光学显微镜适于捕捉该对象的图像，所述光学显微镜包括：用于支承对象的支撑板，适于产生用于照射对象的照射光束的照射源，用于将照射光束聚焦到支撑板上的光学元件，位于支撑平面上的对象的当前被聚焦的照射光束照射的部分在下文中被称为目标区域，包括用于捕捉目标区域的图像的传感器矩阵的数码相机，每个传感器提供相应的像素值，以及移动块，用于相对于聚焦的照射光束和数码相机沿着彼此垂直的三个轴线x、y、z之中的至少两个移动轴线移动支撑板，其中轴线x和y限定支撑板的平面，所述至少两个移动轴线限定超分辨率图像的两个对应的垂直图像轴线。
技术介绍
光学显微镜的分辨率与显微镜显示相邻的细节的能力截然不同。与透镜的瑕疵无关地，光学显微镜的分辨率与透镜的缺陷无关，而受限于光的衍射。实际上，由于光的衍射，一个点的图像不是一个点，而是呈现为由衍射围绕的模糊斑，称为“艾里斑”或“点扩散函数”。因此，对象的相邻但不同的两个点会有两个斑作为图像点，这两个斑的重叠可阻止对这两个图像点进行区分：进而无法分辨细节。根据阿贝衍射极限，通过光学显微镜分辨单独的点的极限(被称为衍射极限)表述为其中λ是照射源的波长，NA是光学显微镜的物镜的数值孔径。一般来说，对于可见光波长区域，使用常规物镜可获得的衍射极限的最小值约为150纳米(nm)。存在已知的处理来产生具有比仅使用衍射受限的光学器件所允许的分辨率更高的分辨率的图像：例如，受激发射损耗显微镜(StimulatedEmissionDepletionmicroscopy，STED)、空间结构照明显微镜(SpatiallyStructuredIlluminationMicroscopy，SSIM)、光激活定位显微镜(PhotoactivatedLocalizationmicroscopy，PALM)、随机光学重建显微镜(StochasticOpticalReconstructionMicroscopy，STORM)。涉及这种技术的文献是例如WO2013/153294A1，或者Klar等人在ProcNatlAcadSciUSA.200097，8206-8210上的“具有由受激发射破坏的衍射分辨率屏障的荧光显微镜(Fluorescencemicroscopywithdiffractionresolutionbarrierbrokenbystimulatedemission)”。这些技术中共同的思路在于，它们能够分辨例如PALM中的衍射极限之外的细节，这是通过及时地顺序地开启和关闭荧光团使得信号可被连续地记录来实现的。可惜，这些超分辨率方法需要购买昂贵的光学平台(例如，对于STED来说，超过1百万欧元)和/或进一步需要重大的信号数据后处理，这两项超过了大部分细胞生物学实验室的财力。图像扫描显微镜(imagescanningmicroscopy，ISM)目前的最新技术可体现在如下出版物的集合中：·Sheppard，Optik，2013，80，53-54，其论述了点检测器的使用；·MOiier和Enderlein，PhysRevLetts，2010，104，198101，其涉及使用CCD器件的改进的数据收集，以及·MOiier和Enderlein，PhysRevLetts，2010，104，198101，其论述了像素再分配(Sheppard等人，OpticsLetts，2013，38，2889-2892)。在数据采集和信号后处理期间，这些出版物在对检测区域进行积分时需要数学密集型程序，该检测区域是整个CCD或更小的感兴趣区域(ROI)。因此，需要一种更容易实现的超分辨率成像方法。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术提出如上文提到的一种用于获得对象的超分辨率图像的成像方法，所述方法的特征在于，重复以下一组步骤：-通过数码相机捕捉当前被聚焦的照射光束照射的目标区域的第一图像；-从捕捉的第一图像提取由传感器矩阵的子矩阵提供的第一像素值块；-将所述第一像素值块存储成超分辨率图像的第一像素值块；-通过移动块将支撑板沿着一个移动轴线移动亚衍射极限距离；-通过数码相机捕捉当前被聚焦的照射光束照射的目标区域的第二图像；-从捕捉的第二图像提取由传感器矩阵的所述子矩阵提供的第二像素值块；-将所述第二像素值块存储成超分辨率图像的第二像素值块，所述第二像素值块沿着对应于所述一个移动轴线的图像轴线与所述第一像素值块紧邻地置于超分辨率图像中。本文与前面提到的技术类似的方法提供一种简单的方式来通过有限的计算和处理得到对象的超分辨率图像。根据本专利技术的一些实施例，用于获得对象的超分辨率图像的成像方法进一步包括如下特征：-子矩阵仅包括一个传感器；-在初始步骤中，只有在矩阵的传感器捕捉到支撑板上聚焦的照射光束的图像中的一部分时，该传感器才被选择为子矩阵的传感器；-在初始步骤中，当矩阵的传感器中的一个或多个传感器捕捉到支撑板上聚焦的照射光束的图像中的一部分时，矩阵的该传感器被选择为子矩阵的传感器，其中图像最大程度地对准焦点；-在初始步骤中，当矩阵的传感器中的一个或多个传感器捕捉打牌支撑板上聚焦的照射光束的图像中的一部分时，矩阵的该传感器被选择为子矩阵的传感器，其中图像位于几何焦点；-该方法包括将背景去除应用于超分辨率图像的像素值的步骤和/或包括剪辑位于上强度值的至少一个特定范围之外的所述像素值的步骤，以从与各个荧光团(当考虑荧光显微镜时)相关的像素值中去除相邻荧光团的重叠强度；-对象包括至少一个荧光源，照射源适于产生用于从照射对象生成荧光的照射光束，由数码相机捕捉的目标区域的图像是由照射对象生成的荧光的图像，获得的超分辨率图像是超分辨率荧光图像；根据第二方面，本专利技术提出一种用于获得对象的超分辨率图像的系统，所述成像系统包括控制器和光学显微镜，所述光学显微镜包括：-用于支承待成像的对象的支撑板，-适于产生用于照射对象的照射光束的照射源，-用于将照射光束聚焦到支撑板上的光学元件，位于支撑平面上的对象的当前被聚焦的照射光束照射的部分在下文中被称为目标区域，-包括用于捕捉目标区域的图像的传感器矩阵的数码相机，每个传感器提供相应的像素值，以及-移动块，用于相对于聚焦的照射光束和数码相机沿着彼此垂直的三个轴线x、y、z中的至少两个移动轴线移动支撑板，其中轴线x和y限定支撑板的平面，所述至少两个移动轴线限定超分辨率图像的两个对应的垂直图像轴线；所述成像系统的特征在于，控制器适于重复以下一组操作：命令数码相机捕捉当前被聚焦的照射光束照射的目标区域的第一图像，从捕捉的第一图像提取由传感器矩阵的子矩阵提供的第一像素值块，将所述第一像素值块存储成对象的超分辨率图像的第一像素值块，然后命令移动块将支撑板沿着一个移动轴线移动亚衍射极限距离，然后命令数码相机捕捉当前被聚焦的照射光束照射的目标区域的第二图像，从捕捉的第二图像提取由传感器矩阵的所述子矩阵提供的第二像素值块，以及将所述第二像素值块存储成超分辨率图像的第二像素值块，所述第二像素值块沿着对应于所述一个移动轴线的图像轴线与所述第一像素值块紧邻地置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于基于光学显微镜(21)和移动块(11)获得对象(5)的超分辨率图像(22)的成像方法，所述光学显微镜(21)适于捕捉所述对象(5)的图像，所述光学显微镜(21)包括：●支撑板(6)，用于支承所述对象(5)，●照射源(1)，适于产生用于照射所述对象(5)的照射光束(14)，●光学元件(4)，用于将所述照射光束聚焦到所述支撑板上，位于支撑平面上的所述对象的当前被聚焦的照射光束(14)照射的部分被称为目标区域，以及●数码相机(9)，包括用于捕捉所述目标区域的图像的传感器矩阵，每个传感器提供相应的像素值，所述移动块(11)适于相对于聚焦的照射光束和所述数码相机(9)沿着彼此垂直的三个轴线x、y、z中的至少两个移动轴线移动所述支撑板(6)，其中轴线x和y限定所述支撑板(6)的平面，所述至少两个移动轴线(x，y)限定所述超分辨率图像(22)的两个对应的垂直图像轴线(X，Y)；所述方法的特征在于，重复以下一组步骤：‑通过所述数码相机(9)捕捉当前被聚焦的照射光束(14)照射的所述目标区域的第一图像，所述目标区域的第一图像对应于所述目标区域的衍射斑图像；‑从捕捉的第一图像提取由所述传感器矩阵的子矩阵(B0)提供的第一像素值块，所述传感器矩阵的所述子矩阵(B0)被选择为使得所述子矩阵(B0)位于所述目标区域的衍射斑图像内；‑将所述第一像素值块存储成所述超分辨率图像的第一像素值块；‑通过所述移动块(11)将所述支撑板(6)沿着一个移动轴线移动亚衍射极限距离；‑通过所述数码相机(9)捕捉当前被聚焦的照射光束(14)照射的所述目标区域的第二图像，所述目标区域的第二图像对应于所述目标区域的衍射斑图像；‑从捕捉的第二图像提取由所述传感器矩阵的所述子矩阵(B0)提供的第二像素值块；‑将所述第二像素值块存储成所述超分辨率图像的第二像素值块，所述第二像素值块沿着与所述一个移动轴线(x，y)对应的图像轴线(X，Y)与所述第一像素值块紧邻地置于所述超分辨率图像中。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.23 EP 14307179.31.一种用于基于光学显微镜(21)和移动块(11)获得对象(5)的超分辨率图像(22)的成像方法，所述光学显微镜(21)适于捕捉所述对象(5)的图像，所述光学显微镜(21)包括：●支撑板(6)，用于支承所述对象(5)，●照射源(1)，适于产生用于照射所述对象(5)的照射光束(14)，●光学元件(4)，用于将所述照射光束聚焦到所述支撑板上，位于支撑平面上的所述对象的当前被聚焦的照射光束(14)照射的部分被称为目标区域，以及●数码相机(9)，包括用于捕捉所述目标区域的图像的传感器矩阵，每个传感器提供相应的像素值，所述移动块(11)适于相对于聚焦的照射光束和所述数码相机(9)沿着彼此垂直的三个轴线x、y、z中的至少两个移动轴线移动所述支撑板(6)，其中轴线x和y限定所述支撑板(6)的平面，所述至少两个移动轴线(x，y)限定所述超分辨率图像(22)的两个对应的垂直图像轴线(X，Y)；所述方法的特征在于，重复以下一组步骤：-通过所述数码相机(9)捕捉当前被聚焦的照射光束(14)照射的所述目标区域的第一图像，所述目标区域的第一图像对应于所述目标区域的衍射斑图像；-从捕捉的第一图像提取由所述传感器矩阵的子矩阵(B0)提供的第一像素值块，所述传感器矩阵的所述子矩阵(B0)被选择为使得所述子矩阵(B0)位于所述目标区域的衍射斑图像内；-将所述第一像素值块存储成所述超分辨率图像的第一像素值块；-通过所述移动块(11)将所述支撑板(6)沿着一个移动轴线移动亚衍射极限距离；-通过所述数码相机(9)捕捉当前被聚焦的照射光束(14)照射的所述目标区域的第二图像，所述目标区域的第二图像对应于所述目标区域的衍射斑图像；-从捕捉的第二图像提取由所述传感器矩阵的所述子矩阵(B0)提供的第二像素值块；-将所述第二像素值块存储成所述超分辨率图像的第二像素值块，所述第二像素值块沿着与所述一个移动轴线(x，y)对应的图像轴线(X，Y)与所述第一像素值块紧邻地置于所述超分辨率图像中。2.根据权利要求1所述的成像方法，其中所述子矩阵(B0)仅包括一个传感器。3.根据权利要求1或2所述的成像方法，其中在初始步骤中，仅当所述矩阵的传感器捕捉到所述支撑板(6)上聚焦的照射光束(14)的图像中的一部分时，所述矩阵的该传感器被选择为所述子矩阵(B0)的传感器。4.根据权利要求3所述的成像方法，其中在初始步骤中，当所述矩阵的传感器中的一个或多个传感器捕捉到所述支撑板上聚焦的照射光束(14)的图像中的一部分时，所述矩阵的该传感器被选择为所述子矩阵(B0)的传感器，其中所述图像位于几何焦点。5.根据权利要求1至4中任一项所述的成像方法，包括：-将背景去除应用于所述超分辨率图像的像素值的步骤和/或包括对位于上强度值的至少一个特定范围之外的所述像素值进行剪辑的步骤，以从与各个荧光、透射、散射或吸收对象相关的像素值中去除相邻的荧光、透射、散射或吸收对象的重叠强度。6.根据权利要求1至5中任一项所述的成像方法，其中所述对象包括至少一个荧光、透射、散射或吸收源，所述照射源(1)适于产生用于从照射对象生成荧光、透射、散射或吸收的照射光束，由所述数码相机(9)捕捉的所述目标区域的图像是由所述照射对象生成的荧光、透射、散射或吸收的图像，所获得的超分辨率图像是超分辨率荧光、透射、散射或...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁诺·罗伯特，安德鲁·高尔，蒂米特里·弗罗洛夫，瑞恩科·范·格伦德尔，
申请(专利权)人：法国原子能与替代能源委员会，国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国,FR