基于稀疏約束的快速隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超分辨成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于稀疏約束的快速隨機(jī)光學(xué)重構(gòu) 成像（STORM)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今納米科技的發(fā)展離不開納米顯微成像技術(shù)，這方面以電子掃描顯微鏡和原子 力顯微鏡為代表已成為許多實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置。然而研究納米尺度下的電子結(jié)構(gòu)、聲子態(tài) 和等離激元等微觀內(nèi)部狀態(tài)方面，光學(xué)探測技術(shù)具有了強(qiáng)大的優(yōu)勢，但受光學(xué)衍射極限的 限制，它的成像分辨率不能小于λΛ2ΝΑ)，其中λ是成像光波長，NA是透鏡的數(shù)值孔徑，使 得成像分辨率一般大于180納米，顯微分辨率很難提高。為此研究者們從兩種途徑來不斷 推進(jìn)空間分辨率：1)采用納米尺寸探針和近場成像技術(shù)，使光學(xué)成像空間分辨率達(dá)到10納 米左右。結(jié)合原子力顯微鏡和表面拉曼增強(qiáng)技術(shù)可以進(jìn)一步提高空間分辨率；2)基于傳統(tǒng) 的光學(xué)遠(yuǎn)場成像--光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。研究者們從光學(xué)共焦顯微鏡到雙光子 熒光顯微鏡到4PI成像技術(shù)等，將三維遠(yuǎn)場成像分辨率推進(jìn)到100納米區(qū)域。隨著受激輻 射倒空（STED)，基態(tài)倒空（GCD)，隨機(jī)光學(xué)重建超分辨成像（ST0RM)，光激活定位超分辨成 像（PALM)等新技術(shù)相繼被提出，從概念上突破了光學(xué)衍射極限的限制，把光學(xué)顯微技術(shù)真 正提高到了納米量級。
[0003] 上述的超分辨成像技術(shù)中，大部分都是基于寬場成像，其中STORM依靠的基本原 理是基于熒光染料的開關(guān)，每次激活少量的熒光染料，通過單分子點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)擬合對其定 位，以此來實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。單次采樣中如果激活大量熒光染料，會使得無法用此技術(shù)中 的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對每個熒光標(biāo)記物進(jìn)行精確定位，從而無法達(dá)到超高分辨的分辨率，所以只 能通過增加采樣次數(shù)來完成整個圖像的采集。經(jīng)過足夠多次的采樣后，獲得一系列的圖片 進(jìn)行處理從而重構(gòu)出最終的圖像。這就決定了此技術(shù)在達(dá)到超高分辨率的同時，存在著一 個比較嚴(yán)重的問題就是其成像速度被大大制約，通常來說需要幾分鐘至幾十分鐘（針對不 同的樣品成像時間不同，有的樣品甚至可能需要幾小時）來采集到一幅圖像。所以，雖然此 技術(shù)能夠達(dá)到非常高的分辨率，但是由于測量時間過長，無法對樣品中發(fā)生的動態(tài)過程進(jìn) 行實(shí)時的跟蹤測量，通常只能對一些固定的或時間分辨率要求不高的生物樣品進(jìn)行研究。 另外，并不是所有的熒光基團(tuán)都能夠被這類方法所識別，通常需要能互相激活的熒光染料 對，或者一些特定熒光染料才能夠運(yùn)用到此技術(shù)中。為解決上述問題，一方面可以通過采用 時分復(fù)用的技術(shù)，在相同的時刻同時定位不同位置的焚光分子來提高時間分辨率；另一方 面可以通過開發(fā)新型的高通亮的光控開關(guān)熒光分子，增加單位時間內(nèi)激發(fā)的熒光光子數(shù)， 從而縮短采集時間。壓縮感知算法被發(fā)現(xiàn)有很大的潛力用于提高寬場超分辨成像技術(shù)的采 樣效率，包括提出STORM技術(shù)的莊小威研究組在內(nèi)的幾個研究組也開始研究利用不同的壓 縮感知算法，希望從信號處理的角度進(jìn)一步縮短上述光學(xué)超分辨成像技術(shù)的采樣時間，但 是其采用的測量矩陣都是類隨機(jī)矩陣，并不能把稀疏約束的壓縮特性充分發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于稀疏約束的快速STORM納米熒光成像 系統(tǒng)及方法，利用隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)中信號本身的稀疏特性，設(shè)計對應(yīng)的測量矩陣，對信號進(jìn)行 整體隨機(jī)重構(gòu)，嚴(yán)格滿足了稀疏特性和非相干性條件，最大限度的發(fā)揮壓縮感知技術(shù)性能， 在時空域上進(jìn)行超分辨。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種基于稀疏約束的快速隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)成像系統(tǒng)，該 系統(tǒng)至少包括用于產(chǎn)生多色激發(fā)光的激發(fā)光源模塊；接收所述多色激發(fā)光后形成準(zhǔn)直激發(fā) 光的光纖耦合與全內(nèi)反射模塊；對所述準(zhǔn)直激發(fā)光進(jìn)行成像、掃描、空間調(diào)制及探測的整合 模塊；控制所述激發(fā)光源模塊、光纖耦合與全內(nèi)反射模塊以及整合模塊的時序電機(jī)控制模 塊；探測采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行隨機(jī)重構(gòu)成像處理和壓縮感知處理的成像采集分析軟件包。
[0006] 本發(fā)明還提供一種實(shí)現(xiàn)快速隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)成像方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 1)、激發(fā)光源模塊產(chǎn)生多色激發(fā)光并輸出；
[0008] 2)、光纖耦合與全內(nèi)反射模塊接收所述多色激發(fā)光后形成準(zhǔn)直激發(fā)光并輸出；
[0009] 3)、整合模塊接收所述準(zhǔn)直激發(fā)光并對所述準(zhǔn)直激發(fā)光進(jìn)行成像、掃描、空間調(diào)制 及探測；
[0010] 同時，時序電機(jī)控制模塊控制所述激發(fā)光源模塊、光纖耦合與全內(nèi)反射模塊以及 整合模塊；成像采集分析軟件包探測采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行隨機(jī)重構(gòu)成像處理和壓縮感知 處理。
[0011] 本發(fā)明基于稀疏約束的快速隨機(jī)重構(gòu)納米成像的基本原理：從物理采樣模式上進(jìn) 行革新，利用了被數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明了的能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨的稀疏約束原理，采用"整體隨機(jī)"的 壓縮感知采樣模式，將已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了的基于稀疏約束和相位調(diào)制的壓縮感知技術(shù)運(yùn)用 于STORM成像中，從原理上克服了原有的隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)中需要每次少量開關(guān)熒光標(biāo)記物或 熒光蛋白的限制，大大減少了原有的數(shù)百次的采樣次數(shù)，使得整個測量時間可以從數(shù)量級 上得到提升，對為獲取納米級觀測物動力學(xué)過程提供了強(qiáng)有力的支持。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明基于稀疏約束的快速隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)成像系統(tǒng)框圖。
[0013] 元件標(biāo)號說明
[0014] 激發(fā)光源模塊 101
[0015] 連續(xù)激光器 1
[0016] 二分之一波片 2
[0017] 偏正分束器 3
[0018] 光閘 4
[0019] 二向色鏡 5
[0020] 銀鏡 6
[0021] 光纖耦合器 7
[0022] 光纖親合與全內(nèi)反射模塊 102
[0023] 第一反射鏡 9
[0024] 第二反射鏡 8
[0025] 聚焦透鏡 10
[0026] 整合模塊 103
[0027] 濾波器 13
[0028] 色鏡 14
[0029] 物鏡 15
[0030] 探測物 16
[0031] 時序電機(jī)控制模塊以及軟件104
[0032] 包
[0033] 空間隨機(jī)相位調(diào)制器 12
[0034] 電子倍增電荷親合器 11
【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施 例中的特征可以相互組合。
[0036] 需要說明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu) 想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸 繪制，其實(shí)際實(shí)施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也 可能更為復(fù)雜。
[0037] 請參閱圖1所示，一種基于稀疏約束的快速隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)至少 包括用于產(chǎn)生多色