一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统及方法，包括：光片荧光信号激发模块，用于生成两束焦深范围大于高斯光束瑞利距离的类无衍射贝塞尔光片，准直后以相反的方向照明到样品的两侧，激发样品产生荧光；荧光信号编码模块，用于对光片荧光信号激发模块产生的荧光信号进行编码调制；荧光信号探测模块，用于对单个像素级别的像素进行匹配，以及根据单帧曝光时间内采集的多张被编码的荧光信号，得到荧光压缩快照成像图案；荧光信号解码模块，用于对采集的荧光压缩快照成像图案进行解码，获得高分辨率、高帧率的待恢复的荧光视频图像。本发明专利技术解决了高速高分辨显微瞬态场景下短曝光时间造成低信噪比且需要较大数据宽带的问题。宽带的问题。宽带的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统及方法


[0001]本专利技术涉及荧光显微成像
，尤其涉及的是一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统及方法。

技术介绍

[0002]光片荧光显微技术采用激发光路与探测光路相互垂直的特殊设计，即利用薄片光束从侧面激发样品，并通过垂直光片方向的显微物镜和探测器获取照明层面的荧光图像，从而避免非成像平面的荧光信号的干扰，具有背景噪声低、分辨率高、观测视场大、光漂白和光毒性低等特点，适用于对较大活体生物样品进行高质量、长时间动态观测。目前，光片显微成像已被广泛应用于细胞生物学、发育生物学和神经生物学等科学的研究。除了空间分辨率、观测视场等成像性能之外，成像速度(二维成像速度和三维成像速度)是衡量光片标荧光显微性能的另一个非常重要的指标。受相机采集速度的限制及高速成像要求的短曝光时间降低了图像信噪比的影响，现有的光片显微成像技术很难探测到高速高分辨的显微瞬态场景图像。而随着压缩感知技术的发展，快照时间压缩成像技术已成为突破相机采集速度和捕捉高速高分辨场景的一种低成本且有效的方法。
[0003]快照时间压缩成像技术分为光学硬件编码和软件解码两部分。光学硬件编码是指在二维探测器的单次曝光时间内，使用数字微镜器件或空间光调制器等其他调制器生成N个随机掩膜，进而对N个快速变化的场景进行空间编码，即将N个场景编码压缩到单帧测量图像中。软件解码是指使用相应的图像重构方法从单个测量图像中重建被编码的N个原始场景图像。因此，快照压缩成像技术可将图像的采集速度提高N倍，突破了相机采集速度的限制，具有低带宽、信噪比高、采集速度快、低成本和低功耗等优点。
[0004]将快照时间压缩成像技术应用到光片荧光显微成像领域中，主要面临两个技术挑战，一个是光学硬件编码光路的设计，另一个是软件解码方法的设计。在光学硬件编码光路设计方面，调制器与探测器之间的像素映射关系是影响后续解码后的图像分辨率的首要因素。现有的视频快照压缩成像技术并未将调制器与探测器进行像素匹配，这容易导致解码后的显微图像出现相互串扰、图像模糊等现象。在软件解码设计方面，解码所需的时间及解码后的图像质量是限制快照时间压缩成像技术广泛应用的主要因素。现有的解码算法主要分为迭代解码法、端对端深度学习解码法、基于无需训练的深度图像先验解码法、将迭代法与预先训练的深度降噪器相结合的即插即用解码法(PnP)。基于全变分的广义交替投影的迭代解码方法(GAP
‑
TV)解码速度快且可保留图像细节，但是解码后的图像噪声大。端对端深度学习解码法(E2E)是现有解码方法中最快且解码图像质量高的方法。然而，除了需要大量的训练数据(这对于高速显微镜而言并不容易获得)之外，这种方法并不灵活，因为每当传感矩阵(编码掩膜)发生变化时，都必须重新训练新的网络。基于无需训练的深度图像先验(DIP)解码法可以得到干净且清晰的解码图像，但是深度图像先验仍然需要(通常数千次)迭代来优化网络中的参数，因此该方法解码速度较慢。在迭代优化框架中使用预先训练的深度降噪器的解码法解码速度快且解码图像质量高。然而，这些深度降噪器通常由自然
图像训练得到，在显微图像解码中表现不佳。
[0005]因此，现有技术还有待改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本专利技术提供一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统及方法，以解决高速高分辨显微瞬态场景下短曝光时间造成低信噪比且需要较大数据宽带的问题。
[0007]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统，包括：
[0009]光片荧光信号激发模块，用于生成两束焦深范围大于高斯光束瑞利距离的类无衍射贝塞尔光片，准直后以相反的方向照明到样品的两侧，激发样品产生荧光；
[0010]荧光信号编码模块，用于对所述光片荧光信号激发模块产生的荧光信号进行编码调制；
[0011]荧光信号探测模块，用于对单个像素级别的像素进行匹配，以及根据单帧曝光时间内采集的多张被编码的荧光信号，得到荧光压缩快照成像图案；
[0012]荧光信号解码模块，用于对采集的荧光压缩快照成像图案进行解码，获得高分辨率、高帧率的待恢复的荧光视频图像；
[0013]所述荧光信号编码模块与所述光片荧光信号激发模块连接，所述荧光信号探测模块与所述荧光信号编码模块连接；所述光片荧光信号激发模块、所述荧光信号编码模块以及所述荧光信号探测模块分别与所述荧光信号解码模块连接。
[0014]在一种实现方式中，所述光片荧光信号激发模块包括：激光器、扩束准直单元、第一反射镜、分束镜、第一光路组件、第二光路组件以及样品池；
[0015]所述激光器产生的激光光束经过所述扩束准直单元扩束准直后，经由所述第一反射镜及所述分束镜将扩束准直后的激光光束分成第一高斯光束和第二高斯光束；
[0016]所述第一高斯光束经过所述第一光路组件形成第一类无衍射贝塞尔光，所述第二高斯光束经过所述第二光路组件形成第二类无衍射贝塞尔光，所述第一类无衍射贝塞尔光和所述第二类无衍射贝塞尔光分别激发所述样品池中的样品产生对应的荧光。
[0017]在一种实现方式中，所述第一光路组件包括：第一多缝光学掩模版、第一柱透镜以及第一物镜；
[0018]所述第一高斯光束经过所述第一光学多缝掩膜版、所述第一柱透镜以及所述第一物镜形成第一路焦深范围大于高斯光束瑞利距离的第一类无衍射贝塞尔光；
[0019]所述第二光路组件包括：第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第二多缝光学掩模版、第二柱透镜以及第二物镜；
[0020]所述第二高斯光束经过所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述第二多缝光学掩模版、所述第二柱透镜以及所述第二物镜后形成与第一类无衍射贝塞尔光传播方向相反的焦深范围大于高斯光束瑞利距离的第二类无衍射贝塞尔光。
[0021]在一种实现方式中，所述荧光信号编码模块包括：第三物镜、管镜、第五反射镜以及数字微镜器件；
[0022]所述荧光激发模块激发的动态荧光信号经过所述第三物镜和所述管镜收集，并经
过所述第五反射镜反射到所述数字微镜器件面板，以及经过所述数字微镜器件加载的随机掩膜进行空间编码。
[0023]在一种实现方式中，所述荧光信号探测模块包括：滤光片、变倍透镜组、探测器以及四维微调平台；
[0024]所述探测器设置于所述四维微调平台上，调节所述四维微调平台及所述变倍透镜组的放大倍率，使所述探测器与所述数字微镜器件之间实现单个像素级别的像素匹配；
[0025]所述数字微镜器件与所述探测器之间单个像素级别的像素匹配后，在所述探测器的单帧曝光时间内，多张被编码后的荧光信号经过所述滤光片及所述变倍透镜组后被所述探测器收集，得到压缩快照成像图案。
[0026]在一种实现方式中，所述荧光信号解码模块包括：投影解码单元以及多级联合降噪单元；
[0027]所述投影解码本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于快照时间压缩的光片显微成像系统，其特征在于，包括：光片荧光信号激发模块，用于生成两束焦深范围大于高斯光束瑞利距离的类无衍射贝塞尔光片，准直后以相反的方向照明到样品的两侧，激发样品产生荧光；荧光信号编码模块，用于对所述光片荧光信号激发模块产生的荧光信号进行编码调制；荧光信号探测模块，用于对单个像素级别的像素进行匹配，以及根据单帧曝光时间内采集的多张被编码的荧光信号，得到荧光压缩快照成像图案；荧光信号解码模块，用于对采集的荧光压缩快照成像图案进行解码，获得高分辨率、高帧率的待恢复的荧光视频图像；所述荧光信号编码模块与所述光片荧光信号激发模块连接，所述荧光信号探测模块与所述荧光信号编码模块连接；所述光片荧光信号激发模块、所述荧光信号编码模块以及所述荧光信号探测模块分别与所述荧光信号解码模块连接。2.根据权利要求1所述的基于快照时间压缩的光片显微成像系统，其特征在于，所述光片荧光信号激发模块包括：激光器、扩束准直单元、第一反射镜、分束镜、第一光路组件、第二光路组件以及样品池；所述激光器产生的激光光束经过所述扩束准直单元扩束准直后，经由所述第一反射镜及所述分束镜将扩束准直后的激光光束分成第一高斯光束和第二高斯光束；所述第一高斯光束经过所述第一光路组件形成第一类无衍射贝塞尔光，所述第二高斯光束经过所述第二光路组件形成第二类无衍射贝塞尔光，所述第一类无衍射贝塞尔光和所述第二类无衍射贝塞尔光分别激发所述样品池中的样品产生对应的荧光。3.根据权利要求2所述的基于快照时间压缩的光片显微成像系统，其特征在于，所述第一光路组件包括：第一多缝光学掩模版、第一柱透镜以及第一物镜；所述第一高斯光束经过所述第一光学多缝掩膜版、所述第一柱透镜以及所述第一物镜形成第一路焦深范围大于高斯光束瑞利距离的第一类无衍射贝塞尔光；所述第二光路组件包括：第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第二多缝光学掩模版、第二柱透镜以及第二物镜；所述第二高斯光束经过所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第四反射镜、所述第二多缝光学掩模版、所述第二柱透镜以及所述第二物镜后形成与第一类无衍射贝塞尔光传播方向相反的焦深范围大于高斯光束瑞利距离的第二类无衍射贝塞尔光。4.根据权利要求1所述的基于快照时间压缩的光片显微成像系统，其特征在于，所述荧光信号编码模块包括：第三物镜、管镜、第五反射镜以及数字微镜器件；所述荧光激发模块激发的动态荧光信号经过所述第三物镜和所述管镜收集，并经过所述第五反射镜反射到所述数字微镜器件面板，以及经过所述数字微镜器件加载的随机掩膜进行空间编码。5.根据权利要求4所述的基于快照时间压缩的光片显微成像系统，其特征在于，所述荧光信号探测模块包括：滤光片、变倍透镜组、探测器以及四维微调平台；所述探测器设置于所述四维微调平台上，调节所述四维微调平台及所述变倍透镜组的放大倍率，使所述探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：于斌，王美琴，屈军乐，林丹樱，曹慧群，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：