基于单光子空时成像的超弱荧光共聚焦显微系统及方法技术方案

一种基于单光子空时成像的超弱荧光共聚焦显微系统及方法，包括：光源模块、共聚焦显微镜成像光路模块、飞行时间记录成像模块以及数据处理模块，光源模块产生单光子信号的同时，向飞行时间记录成像模块发送一个预告信号；该单光子信号在共聚焦显微镜光路中激发标记样品并使其产生信号光子；飞行时间记录成像模块探测信号光子并记录信号光子在不同位置上到达光学探测器的先后时间信息以及空间信息；数据处理模块根据光子到达时间信息，利用信号光子的泊松过程实现在单光子级别对荧光共聚焦显微图像的重构，并且利用采集到稀疏光子满足的空时关联特性，实现对原始图像的优化增强。本发明专利技术能够在低曝光剂量的条件下实现超分辨显微成像。显微成像。显微成像。

Ultra weak fluorescence confocal microscopy system and method based on single photon space-time imaging

【技术实现步骤摘要】
基于单光子空时成像的超弱荧光共聚焦显微系统及方法


[0001]本专利技术涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种基于单光子空时成像的超弱荧光共聚焦显微系统及方法。

技术介绍

[0002]荧光共聚焦显微镜是当今生物医学研究高分辨成像的重要手段。其照明系统要求对被成像的样本进行逐点扫描，在这种情况下，每个像素需要收集大量光子才能获得高质量的图像，并且这一过程增加了成像所需时间。长曝光时间或者高照射剂量可能会造成荧光基团的淬灭，从而影响最终成像质量。因此，有必要从技术层面降低荧光共聚焦成像时对样品的照射强度、缩短成像所需要的时间，从而实现低曝光量高分辨率的共聚焦显微成像。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术在少光子情况下误差大、无法对每个探测光子进行实践标定等缺陷，提出一种基于单光子空时成像的超弱荧光共聚焦显微系统及方法，利用单光子级光源发出的光子到达高时间分辨率光学探测器的时间和空间信息，重构出被激发样品的原始图像，区别于经典光学显微镜中直接成像的方式，单光子空时成像方法可以突破经典衍射极限的限制，在低曝光剂量的条件下实现超分辨显微成像。本专利技术降低显微成像的曝光量、提升显微成像分辨率。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于单光子空时成像的荧光共聚焦成像系统，包括：光源模块、共聚焦显微镜成像光路模块、飞行时间记录成像模块以及数据处理模块，其中：光源模块产生单光子信号的同时，向飞行时间记录成像模块发送一个预告信号；该单光子信号在共聚焦显微镜光路中激发标记样品并使其产生信号光子；飞行时间记录成像模块探测信号光子并记录信号光子在不同位置上到达光学探测器的先后时间信息以及空间信息；数据处理模块根据光子到达时间信息，利用信号光子的泊松过程实现在单光子级别对荧光共聚焦显微图像的重构，并且利用采集到稀疏光子满足的空时关联特性，实现对原始图像的优化增强。
[0006]所述的单光子信号，通过光源模块产生弱相干光，默认其为单光子信号，同时该光源模块向飞行时间记录成像模块发送一个预告信号。
[0007]所述的共聚焦显微镜成像光路模块为针对标记样品且具有共聚焦显微镜或相同原理的其他光路组件模块。
[0008]所述的标记样品，当被激时产生荧光信号，其包括但不限于生物医学样品。
[0009]所述的飞行时间记录成像模块包括：在高时间分辨率的条件下记录光子到达的时间和空间信息的具有单光子灵敏度的单光子光学探测器、单光子探测器和时间飞行符合门，其中：单光子探测器和光源模块相连并记录并且接收光子飞行开始的信息；单光子光学探测器记录光子到达光学探测器的空间以及时间信息；时间飞行符合门记录分析并计算单个光子飞行所需的时间信息。
[0010]所述的单光子光学探测器具备皮秒量级的单光子光学探测阵列，其对单光子进行响应后产生一个电子脉冲并输出至时间飞行符合门，以实现时间信息的精确记录以及后期算法优化的初始数据。
[0011]所述的时间飞行符合门根据电脉冲信号以16皮秒精度进行多通道的时间标记的过程，分析并且记录单个光子从产生到到达光学探测器过程的时间信息的符合门系统。
[0012]所述的数据处理模块利用光源模块发射的光子分布满足泊松过程，利用泊松过程对单个光子的点扩散函数进行分析，获得荧光光子质心的精确位置信息后，利用采集到稀疏光子满足的空时关联特性，实现对原始图像的重构和增强，该数据处理模块具体包括：原始数据预处理单元和算法优化单元，其中：原始数据预处理单元根据光子到达的时间信息以及每个点扫描的预定时间设定，进行成像像素点数据分配处理，得到每个像素点的原始光子数据信息，算法优化单元根据分配后的每个像素的光子到达时间信息，对稀疏光子图像进行算法优化处理，得到优化重构结果。
[0013]所述的泊松过程是指：被激发产生的荧光信号光子在飞行过程中，前一个光子的产生和后一个光子的产生属于随机事件，相互之间没有关联的过程。由于目标物体不同部位能够产生荧光光子的强度不同，导致到达光学探测器前后不同光子所反映的泊松过程发生了变化，通过泊松模型对光子的空间分布和时间分布进行拟合，可以获得高分辨率的显微图像重构。技术效果
[0014]本专利技术通过在稀疏光子条件下，对共聚焦扫描的每个像素点上的光子时间信息进行标记，除了获得每个像素的光子数信息，同时获得其到达探测器的时间信息，根据此时间信息进行图像强度的重构。与现有技术相比，本专利技术在相同少的光子数情况下，利用光子到达的前5
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10个光子的时间信息，获得的优化重构结果优于光子数累积的方式，从而实现更高的图像对比度，提升荧光显微镜的成像性能。
附图说明
[0015]图1为本专利技术系统示意图；
[0016]图2为光源发出的不同在被标记样品处激发后在时间上的变化示意图；
[0017]图3为实施例效果示意图。
具体实施方式
[0018]如图1所示，为本实施例涉及一种基于上述系统的探测、采集、存储以及数据处理方法
[0019]步骤1：搭建成像系统，选择波长405nm/488nm、脉宽8ns的脉冲激光器，荧光标记样品，共聚焦扫描成像系统、皮秒时间分辨率单光子光学探测器以及控制整个系统时序的FPGA。控制激光器的重频为10kHZ，调整激光器功率到单光子量级。经过共聚焦扫描成像系统后，对样品400像素
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400像素的范围进行扫描，每个像素实现在时间上出现离散的光子如图2左所示，为时间飞行记录成像的单光子级时间信息和空间信息提供基础。
[0020]步骤2：产生的荧光光子经过共聚焦扫描成像系统后，经过透镜聚焦被单光子探测器接收，选用皮秒级分辨率单光子级面阵成像设备和时间符合门模块记录不同光子到达的
相对时间信息，根据记录的信息可以获得光子数和光子到达的时间信息。
[0021]步骤3：获得的受点扩散函数的影响，分辨率较低，利用二维高斯函数模型，对光子的位置信息进行优化，校准得到像素中荧光信号分子的质心位置；同时光子的时间到达过程满足e指数分布，结合稀疏光子到达时间联合分布概率满足凸函数特性，获得增强的高分辨率荧光共聚焦显微图像。
[0022]经过具体实际实验，在选择波长405nm、脉宽8ns的脉冲激光器，DAPI荧光标记样品，整体效率为10％的共聚焦扫描成像系统、皮秒时间分辨率单光子光学探测器以及控制整个系统时序的FPGA的具体环境设置下，以选取前10个光子进行对比，如图3所示，在每个像素只有10个光子的情况下，利用时间信息进行重构的结果对比度由于光子数累积的结果。
[0023]与现有技术相比，本系统在荧光成像中，只利用前5
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10个光子的到达的时间信息，经过算法优化，获得的重构结果优于光子数累积的方式，实现了更高的图像对比度，提升荧光显微镜的成像性能。
[0024]上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子空时成像的荧光共聚焦成像系统，其特征在于，包括：光源模块、共聚焦显微镜成像光路模块、飞行时间记录成像模块以及数据处理模块，其中：光源模块产生单光子信号的同时，向飞行时间记录成像模块发送一个预告信号；该单光子信号在共聚焦显微镜光路中激发标记样品并使其产生信号光子；飞行时间记录成像模块探测信号光子并记录信号光子在不同位置上到达光学探测器的先后时间信息以及空间信息；数据处理模块根据光子到达时间信息，利用信号光子的泊松过程实现在单光子级别对荧光共聚焦显微图像的重构，并且利用采集到稀疏光子满足的空时关联特性，实现对原始图像的优化增强；所述的单光子信号，通过光源模块产生弱相干光，默认其为单光子信号，同时该光源模块向飞行时间记录成像模块发送一个预告信号。2.根据权利要求1所述的基于单光子空时成像的荧光共聚焦成像系统，其特征是，所述的共聚焦显微镜成像光路模块为针对标记样品且具有共聚焦显微镜或相同原理的其他光路组件模块。3.根据权利要求1所述的基于单光子空时成像的荧光共聚焦成像系统，其特征是，所述的标记样品，当被激时产生荧光信号，其包括但不限于生物医学样品。4.根据权利要求1所述的基于单光子空时成像的荧光共聚焦成像系统，其特征是，所述的飞行时间记录成像模块包括：在高时间分辨率的条件下记录光子到达的时间和空间信息的具有单光子灵敏度的单光子光学探测器、单光子探测器和时间飞行符合门，其中：单光子探测器和光源模块相连并记录并且接收光子飞行开始的信息；单光子光学探测器记录光子到达光学探测器的空间以及时间信息；时间飞行符合门记录分析并计算单个光子飞行所需的时间信息。5.根据权利要求1所述的基于单光子空...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤敏，殷思源，李占明，周恒，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：