【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学，涉及一种结构光照明显微成像方法，尤其涉及一种可广泛应用于生物学、医学、微电子学及材料科学等领域进行显微研究的基于空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微系统和方法。
技术介绍
1、传统光学显微镜的空间分辨率受到光学衍射极限的限制，空间分辨率最高只能达到约半个波长，故而对低于200nm的细节信息无能为力。近几十年，伴随着荧光探针技术的发展，一系列超分辨光学显微成像方法被提出。其中最具代表性的技术包括受激发射损耗显微技术(sted)，光激活定位显微技术(palm)，随机光学重构显微技术(storm)，结构光照明显微技术(structured illumination microscopy,sim)。sim技术最初由heintzmann和gustafsson等人于1999年提出，具有成像速度快，光损伤小等优点，自出现伊始就受到了国内外的广泛关注。三维结构光照明显微技术(3d-sim)作为sim技术的一种，可以在三维方向提升系统分辨率，被广泛应用在商用超分辨显微系统中。由于3d-sim需要沿光轴方向扫描多层样品以获得更高的轴向分辨率，成像速度较低。一种折中的方法是取消轴向扫描，仅拍摄单层3d-sim数据，这样可以在不改变光路的情况下实现活细胞的快速连续成像。然而现有针对单层3d-sim的重建算法都是建立在频率域重建方法基础上，涉及大量复杂的运算，重建过程耗时，不利于进行实时的超分辨成像，极大地降低了用户的成像效率和用户体验。
2、针对sim图像重建过程，2021年wang等人提出一种基于空频域混合式重建算法
技术实现思路
1、为了解决单层3d-sim重建速度慢的问题，本专利技术提出了一种空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，方法用于对sim超分辨显微系统产生的原始荧光图像dd,i(r)进行处理，获得单层三维超分辨图像，d为条纹方向，d＝1,2,3；i为相移步数，i＝1,2,3,4,5；r为二维平面坐标；方法包括：
2、步骤1，计算原始荧光图像dd,i(r)的权重图像wd,i(r)：
3、
4、式(1)中，
5、md1和md2均为条纹方向d上结构光场的调制度；
6、kd为条纹方向d上的波矢量；
7、为条纹方向d上的初始相位；
8、为条纹方向d上的相移量；
9、id为条纹方向d上结构光场的平均光强；
10、步骤2，用降低背景函数a(k)对原始荧光图像dd,i(r)进行预处理，采用式(2)计算得到降低背景的原始图像d′d,i(r)
11、
12、其中，系统光学传递函数的复共轭；为傅里叶逆变换运算符；k为与r对应的频域坐标；
13、
14、其中aatt为衰减幅度参数；kσ为可调的经验参数；
15、步骤3，将降低背景的原始图像d′d,i(r)与相应权重图像wd,i(r)相点乘，并将所有相乘的结果叠加，采用式(4)计算得到未去卷积的单层三维超分辨图像cd,i(r)；
16、
17、步骤4，采用反卷积算法对步骤3所得图像cd,i(r)进行优化，得到单层三维超分辨图像isr(r)。
18、可选的方案是，所述aatt取值范围为1～0。所述kσ取值范围0.5～2.5微米-1。所述反卷积算法为维纳反卷积、r-l反卷积或tv反卷积等。
19、本专利技术方法所得的重建结果与经典的频率域重建算法完全等价，在不改变重构图像质量的同时，攻克了单层3d-sim无法快速重建的难题。与经典算法相比，基于空域重建的算法具有更加简洁的重建步骤，可以大幅提升超分辨图像的重建速度，在不牺牲任何图像质量的情况下，将重建过程所需的计算量减少了一倍，且具有更高的并行性。
20、另外，通过使用gpu加速技术，本专利技术可以将重建速度提高至传统算法的90倍以上。这种快速重建方法为实现实时的单层三维超分辨显微重建提供了一种重要手段。所述gpu加速技术是指本专利技术方法中步骤4)利用基于空域重建的快速单层三维超分辨结构光照明显微成像方法处理原始荧光图像，可以使用gpu加速技术提高计算速度。
21、本专利技术还提供一种利用条纹状照明光场进行照明的超分辨成像系统，包括处理器及存储器，存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述步骤4的超分辨图像重构处理方法。
22、本申请还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现上述超分辨图像重构处理方法。在一些可能的实施方式中，本专利技术还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述方法部分中描述的根据本专利技术各种示例性实施方式的步骤。
23、用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本专利技术的程序产品不限于此，在本专利技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
24、程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
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1.空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，方法用于对SIM超分辨显微系统产生的原始荧光图像Dd,i(r)进行处理，获得单层三维超分辨图像，d为条纹方向，d＝1,2,3；i为相移步数，i＝1,2,3,4,5；r为二维平面坐标；方法包括：
2.根据权利要求1所述空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，其特征在于，所述aatt取值范围为1～0。
3.根据权利要求1所述空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，其特征在于，kσ取值范围0.5～2.5微米-1。
4.根据权利要求1所述空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，其特征在于，所述反卷积算法为维纳反卷积、R-L反卷积或TV反卷积。
5.一种SIM超分辨显微系统，其特征在于，所述系统采用权利要求1或2所述方法获得单层三维超分辨图像。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质储存有能够运行如权利要求1、2或3所述的空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法的计算机程序。
【技术特征摘要】
1.空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，方法用于对sim超分辨显微系统产生的原始荧光图像dd,i(r)进行处理，获得单层三维超分辨图像，d为条纹方向，d＝1,2,3；i为相移步数，i＝1,2,3,4,5；r为二维平面坐标；方法包括：
2.根据权利要求1所述空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，其特征在于，所述aatt取值范围为1～0。
3.根据权利要求1所述空域重建的快速单层三维超分辨结构光显微方法，其特征在于，kσ取值...
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