基于像散的三维超分辨定位显微成像技术及过程优化

发布时间：2018-07-21 09:05

【摘要】：超分辨定位显微成像技术自从诞生以来,因具有打破衍射极限的超高空间分辨率以及系统简易的特点在生物学领域获得广泛应用。由于在纳米尺度进行生命科学问题的研究通常需要立体三维的空间信息,三维超分辨定位显微成像方法应运而生。在目前实现三维超分辨定位显微成像的方法中,基于光学像散实现的方法由于实现简单且效果好而备受青睐,但是目前缺乏对其实现方法性能的定量分析,从而无法为生物问题依赖的实验过程提供有效的成像优化方案。为了克服上述困难,本论文通过对三维成像系统以及采集后图像处理方法进行全面的定量分析对比,提供了一个优化的实验方案,得到了较优的成像深度及定位精度,为三维超分辨定位显微成像的系统搭建和图像处理提供了很有价值的参考。本文的三个主要工作如下:(1)三维超分辨定位显微成像系统的优化。分析了基于像散的三维成像系统中关键器件——柱面镜的位置及焦距参数对点扩散函数的影响,得到了点扩散函数最优时的柱面镜参数。(2)图像处理方法的优化。首先,分析比较不同的原始图像预处理方法,得到对三维超分辨数据最优的图像预处理方法;其次比较不同的单分子定位算法在基于像散的三维成像中的定位效果,获得在特定成像深度范围内最优的单分子定位算法;最后初步设计并实现了基于GPU并行计算架构的三维数据处理方法,使整个数据分析过程在数据处理速度上得到优化。(3)通过仿真和荧光小球模型实验验证基于本系统优化后的实现效果,并且通过细胞微管成像实验和脑片成像实验得到基于本系统的三维超分辨定位显微成像结果。实验结果表明,优化后的实验方案能够达到更深的成像深度及更高的定位精度。
[Abstract]:Since the birth of super-resolution positioning microscopy imaging technology has been widely used in the field of biology because of its ultra-high spatial resolution which breaks the diffraction limit and the simplicity of the system. Because the research of life science in nanometer scale usually requires three-dimensional spatial information, 3D super-resolution localization microscopic imaging method emerges as the times require. In the present method of 3D super-resolution positioning and microscopic imaging, the optical astigmatic method is popular because of its simplicity and good effect, but there is a lack of quantitative analysis of the performance of the method. Therefore, it can not provide an effective imaging optimization scheme for the experimental process of biological problem dependence. In order to overcome the above difficulties, through the quantitative analysis and comparison of the 3D imaging system and the image processing methods after acquisition, an optimized experimental scheme is provided, and the better imaging depth and positioning accuracy are obtained. It provides a valuable reference for the system construction and image processing of three-dimensional super-resolution micro imaging. The main work of this paper is as follows: (1) Optimization of three-dimensional super-resolution positioning micro imaging system. The influence of the position of the cylindrical mirror and focal length parameters on the point diffusion function in the astigmatic 3D imaging system is analyzed, and the cylindrical mirror parameters when the point diffusion function is optimal are obtained. (2) the image processing method is optimized. Firstly, we compare different original image preprocessing methods and obtain the optimal image preprocessing method for 3D super-resolution data. Secondly, we compare the localization effect of different single molecular localization algorithms in astigmatic 3D imaging. The optimal single molecule localization algorithm in the specific imaging depth range is obtained. Finally, a 3D data processing method based on GPU parallel computing architecture is preliminarily designed and implemented. The data processing speed of the whole data analysis process is optimized. (3) through simulation and fluorescence ball model experiment, the effect of the optimized implementation based on this system is verified. The three dimensional superresolution localization microscopic imaging results based on this system are obtained by cell microtubule imaging and brain slice imaging. The experimental results show that the optimized scheme can achieve deeper imaging depth and higher positioning accuracy.
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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本文编号：2135025