高通量超分辨定位成像中的实时图像处理及质量控制

发布时间：2021-01-19 00:59

　　超分辨定位成像通过相对简单的成像系统结构和实验操作流程实现了纳米量级的空间分辨率,成为生物医学研究中重要的工具。过去,超分辨定位成像的应用通常局限于成像单个、小于一个完整哺乳动物细胞大小的成像视场。近些年来,研究人员尝试将超分辨定位成像应用于高通量成像。通过成像数百个,甚至上万个成像视场,高通量超分辨定位成像能够提供丰富的时间和空间信息,从而便于测试不同的实验条件、探测低概率事件、对细胞结构进行无偏的研究等。然而,超分辨定位成像具有数据量大和计算强度高的特点。高通量超分辨定位成像更大的视场面积、更高的激发密度导致数据计算强度远远超出了现有方法实时处理的能力,因此现有方法无法与高通量成像所需的全自动图像采集和分析相结合。此外,目前缺乏有效的手段保证高通量成像大量成像视场之间的质量均匀性。针对上述问题,本文开发一整套适用于高通量超分辨定位成像的实时、高精度图像处理和质量控制算法。具体内容如下:（1）实时稀疏分子定位算法。本文对极大似然估计定位算法（MLE）的数学模型进行改进,结合其他多种优化策略和图形处理器（GPU）加速,在不损失定位精度的前提下,将定位速度相比目前最快的MLE定位算法提高... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：104 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

荧光显微镜原理

图 1-2 超分辨定位成像原理。（a）真实样品结构。（b）传统荧光显微镜成像图。（c）定位成像的随机激发和定位过程。（d）重建的超分辨图。Fig. 1-2 The principle of super-resolution localization microscopy. (a) Ground-truth samplestructure. (b) Image acquired by traditional fluorescence microscopy. (c) Random activation andlocalization in localization microscopy. (d) Reconstructed super-resolution image.在稀疏激发以后，荧光分子的 PSF 被间隔的足够开，因此能够被准确识别。接着，每个被识别的荧光分子的 PSF 被进行定位，以计算出其中心所在的位置。不考虑荧光背景和像素尺寸等因素时，理论上 PSF 的中心位置估计误差，又称定位精度，可以被定量给出[34]：x ,ysN (1-3)这里 s 为 PSF 的宽度，N 为荧光分子发射的光子总数。因此，荧光分子定位精度的理论极限决定于其发射的光子数。这使得研究人员采用各种方式提高荧光分子的光子数从而提高定位精度。例如，开发和使用发射更多光子信号的荧光探针[31]，使用

两个不同的平面上，从而使得不同深度的荧宽度的椭圆形光斑。双螺旋三维成像最复杂成像光路傅里叶平面对相位进行调制，从而产位调制的方法还可以灵活地扩展到产生其他式复杂度介于象散和双螺旋之间，该方法使的位置进行成像，从而不同深度的荧光分子在度的 PSF。双平面还可以扩展到更多平面进个平面的光子数和定位精度。这三种成像方式的性能进行了对比，发现在不双螺旋方式最优，双平面次之，象散最差[61,像图像处理最简单，通常使用横向和纵向宽度与二维成像相同的方式进行定位。对于双螺PSF，可以使用与二维成像相同的圆形高斯函发出使用样条插值等方式对 PSF 形状进行的定位精度[63]。


本文编号：2986015