一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置、方法、设备及存储介质制造方法及图纸

一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置、方法、设备及存储介质，属于激光扫描显微成像领域，是针对激光扫描显微成像技术横向分辨力难以提高、图像采集速率低的问题所提出，本实施例包括激光光源，扩束系统、微透镜阵列、准直透镜、扫描振镜、扫描透镜、管镜、二向色镜、物镜、样品、载物台、收集透镜和CCD相机；利用阵列扫描超分辨显微成像装置获得荧光样品低分辨率图像序列，基于多重信号分类算法对低分辨率图像序列进行重构，得到超分辨图像。采用阵列点照明方式与多重信号分类算法相结合，在提高横向成像分辨力的同时具备轴向层析能力，通过阵列扫描方法提高成像速率，可随机闪烁的生物荧光样品成像。可随机闪烁的生物荧光样品成像。可随机闪烁的生物荧光样品成像。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置、方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及激光扫描显微成像领域，特别是涉及一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置、方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]在20世纪50年代中后期，共焦显微镜由Minsky专利技术，1977年，C.J.R.Sheppard和A.Choudhury首次阐明共焦显微系统在点针孔掩模的作用下，牺牲视场将横向分辨率提高到相同孔径普通显微镜的1.4倍。此后，共焦显微测量技术受到普遍关注，成为了显微科学领域的重要分支。
[0003]光学显微术以其无损、非接触成像的性质被广泛应用于生物和材料科学等领域。其中，共焦显微成像技术是一种适用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技术，反射式共焦显微系统的层析能力使之在三维成像领域显得十分重要。
[0004]但是，传统共焦技术由于共轭针孔的引入导致每次只能对一点进行探测，成像速度是制约共焦显微技术应用的瓶颈之一，且受到探测器尺寸的影响，共焦显微技术的分辨力难以提高。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置、方法、设备及存储介质，可以解决现有激光扫描显微成像技术横向分辨力难以提高，图像采集速率低的问题。
[0006]本专利技术采用的技术方案在于：
[0007]一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置，包括激光光源，沿激光光源光线传播方向依次设有扩束系统、微透镜阵列、准直透镜、扫描振镜、扫描透镜、管镜、二向色镜、物镜、荧光样品、载物台、收集透镜和CCD相机；
[0008]激光光源发出的光束经扩束系统形成平行光入射到微透镜阵列，在准直透镜的焦面上形成点光源阵列，依次经过扫描振镜、扫描透镜、管镜、二向色镜和物镜后聚焦于被测荧光样品表面，扫描振镜改变光束偏转角，实现对荧光样品的二维阵列扫描，荧光样品发出荧光经物镜、二向色镜和收集透镜成像，CCD相机采集每一扫描位置被照明区域内荧光样品随机闪烁过程中所生成低分辨率图像序列。
[0009]一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像方法，包括以下步骤：
[0010]步骤S1，利用阵列扫描超分辨显微成像装置获得荧光样品低分辨率图像序列；
[0011]步骤S2，基于多重信号分类算法对所述低分辨率图像序列进行重构，得到超分辨图像。
[0012]进一步地，所述步骤S1，利用阵列扫描超分辨显微成像装置获得荧光样品低分辨率图像序列的方法是：
[0013]激光光源发出的光束经扩束系统形成平行光入射到微透镜阵列，在准直透镜的焦面上形成点光源阵列，依次经过扫描振镜、扫描透镜、管镜、二向色镜和物镜后聚焦于被测荧光样品表面，扫描振镜改变光束偏转角，实现对荧光样品的二维阵列扫描，荧光样品发出荧光经物镜、二向色镜和收集透镜成像，CCD相机采集每一扫描位置被照明区域内荧光样品随机闪烁过程中所生成低分辨率图像序列。
[0014]进一步地，所述步骤S1具体包括：在扫描振镜连续两次改变光束偏转角，使聚焦光斑阵列在荧光样品表面发生位移期间，聚焦照明光斑阵列区域内荧光样品发出荧光，不同空间位置的亮度发生相互独立的随机波动，经物镜、二向色镜和收集透镜后产生强度随空间和时间变化而随机变化的低分辨率图像，CCD相机连续曝光采集被照明区域内荧光样品所生成的低分辨率图像序列。
[0015]进一步地，所述步骤S2，基于多重信号分类算法对所述低分辨率图像序列进行重构，得到超分辨图像的方法是：
[0016]将步骤S1所述的每一扫描位置被照明区域内荧光样品随机闪烁过程中所生成低分辨率图像序列根据照明光斑位置分割成对应的子序列，并将序列中每一帧图像以列向量的方式存储，使每一子序列构成一个二维矩阵，其列数与图像序列帧数相同，获得低分辨率图像序列的矩阵形式：
[0017]I＝[I1 I2ꢀ…ꢀ
I
K
]ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0018]式(1)中，I表示CCD相机连续曝光采集被照明区域内荧光样品所生成的低分辨率图像序列，I
k
表示以列向量方式存储的序列中的每一帧图像；
[0019]多重信号分类算法对所得矩阵I进行奇异值分解，可得：
[0020][0021]式(2)中，对矩阵I进行奇异值分解后，σ
i
为奇异值、为时间基向量，为空间基向量，其中空间基向量为荧光样品突出特征结构，奇异值σ
i
为该特征结构的能量强度，因此可根据奇异值对代表图像特征结构的特征向量进行划分，得到信号子空间R与噪声子空间N，并根据两个子空间的正交性建立指示函数f(r)：
[0022][0023]式(3)中，r表示成像平面像素点坐标，d
PR
(r)和d
PN
(r)表示点扩散函数在信号子空间R与噪声子空间N上的投影，参数α用于确定有效对比度；
[0024]根据指示函数对低分辨率图像序列进行重构，以指示函数的值为重构的结果，能清晰地区分出荧光样品与背景噪声，得到每一照明光斑位置对应空间位置的超分辨成像结果，将所有照明光斑位置对应的超分辨成像结果拼接后得到最终的超分辨图像。
[0025]一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现上文所述的一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像方法。
[0026]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上文所述的一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像方法。
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]1.本专利技术通过微透镜阵列产生聚焦光斑阵列作为点光源阵列对荧光样品进行扫描，扫描过程中聚焦光斑照明区域内荧光样品随机闪烁过程中所生成低分辨率图像序列被CCD相机依次采集，将所有照明光斑对应位置的低分辨率图像序列进行分割后通过多重信号分类算法重构出高分辨率图像，拼接后获得最终的超分辨成像结果。
[0029]2.本专利技术将阵列点照明方式与多重信号分类算法相结合，在提高横向成像分辨力的同时具备轴向层析能力，并且通过阵列扫描方法提高成像速率，适用于可随机闪烁的生物荧光样品成像。
附图说明
[0030]图1是一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置的结构示意图；
[0031]图2是图1的成像装置的在x方向和y方向上间隔为99nm的条纹荧光样品仿真图；
[0032]图3是图1的成像装置的条纹荧光样品在NA＝0.95，λ＝620nm条件下基于多重信号分类算法的宽场照明显微成像结果图。
[0033]图4是图1的成像装置的条纹荧光样品在NA＝0.95，λ＝620nm条件下基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像结果图。
[0034]图5是图1的成像装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像装置，其特征在于，包括激光光源(1)，沿激光光源(1)光线传播方向依次设有扩束系统(2)、微透镜阵列(3)、准直透镜(4)、扫描振镜(5)、扫描透镜(6)、管镜(7)、二向色镜(8)、物镜(9)、荧光样品(10)、载物台(11)、收集透镜(12)和CCD相机(13)；激光光源(1)发出的光束经扩束系统(2)形成平行光入射到微透镜阵列(3)，在准直透镜(4)的焦面上形成点光源阵列，依次经过扫描振镜(5)、扫描透镜(6)、管镜(7)、二向色镜(8)和物镜(9)后聚焦于被测荧光样品(10)表面，扫描振镜(5)改变光束偏转角，实现对荧光样品(10)的二维阵列扫描，荧光样品(10)发出荧光经物镜(9)、二向色镜(8)和收集透镜(12)成像，CCD相机(13)采集每一扫描位置被照明区域内荧光样品(10)随机闪烁过程中所生成低分辨率图像序列。2.一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，利用阵列扫描超分辨显微成像装置获得荧光样品(10)低分辨率图像序列；步骤S2，基于多重信号分类算法对所述低分辨率图像序列进行重构，得到超分辨图像。3.根据权利要求2所述的一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像方法，其特征在于，所述步骤S1，利用阵列扫描超分辨显微成像装置获得荧光样品(10)低分辨率图像序列的方法是：激光光源(1)发出的光束经扩束系统(2)形成平行光入射到微透镜阵列(3)，在准直透镜(4)的焦面上形成点光源阵列，依次经过扫描振镜(5)、扫描透镜(6)、管镜(7)、二向色镜(8)和物镜(9)后聚焦于被测荧光样品(10)表面，扫描振镜(5)改变光束偏转角，实现对荧光样品(10)的二维阵列扫描，荧光样品(10)发出荧光经物镜(9)、二向色镜(8)和收集透镜(12)成像，CCD相机(13)采集每一扫描位置被照明区域内荧光样品(10)随机闪烁过程中所生成低分辨率图像序列。4.根据权利要求3所述的一种基于多重信号分类算法的阵列扫描超分辨显微成像方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：在扫描振镜(5)连续两次改变光束偏转角，使聚焦光斑阵列在荧光样品(10)表面发生位移期间，聚焦照明光斑阵列区域内荧光样品(10)发出荧光，不同空间位置的亮度发生相互独立的随机波动，经物镜(9)、二向色镜(8)和收集透镜(12)后产生强度随空间和时间变化而随机变化的低分辨率图像，CCD...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹丽敏，陈佳，张甦，丁雪梅，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：