[发明专利]一种基于随机采样的分块压缩感知成像方法及系统

说明书

本发明提供一种基于随机采样的分块压缩感知成像方法及系统。其中，所述基于随机采样的分块压缩感知成像方法包括：控制激光照射样品，并对照射所述样品产生的荧光信号进行处理；将处理后的荧光信号到达的成像区域进行分成多个相同块；分别针对所述成像区域的每块区域应用相同的采样算子进行多次采样得到所述块区域的观测向量值；分别针对得到的每块区域的观测向量值，计算得到所述块区域的初始图像数据；根据每块区域的初始图像数据重构出整个初始图像数据。本发明的方案能够提高随机采用成像的效率。

技术领域

本发明涉及一种超分辨成像领域，特别是涉及一种基于随机采样的分块压缩感知成像方法及系统。

背景技术

光学显微成像技术具有无损、非接触、高特异性、高灵敏、高活体友好以及能够提供功能信息等突出优点，被广泛的应用于生物医学和材料科学领域。传统的光学显微成像技术受衍射极限的限制，无法做到小于200nm分辨率，只能观测到微米至亚微米的结构形貌。

为了突破光学显微成像技术的衍射极限，科学家不断寻找新的方法来提高显微成像技术的分辨率。近年来，Stefan W.Hell等人[1,2]提出的STED和基态倒空(Ground statedepletion,GSD)荧光成像技术、庄小威等人[3]提出的STORM技术、Eric Betzig等人[4]和Samuel T.Hess等人[5]提出的光激活定位超分辨成像方法(Photo-activatedlocalization microscopy,PALM)，突破了光学衍射极限的限制，使光学显微镜的成像分辨能力提高到几十纳米。其中，STORM技术是利用了荧光探针具有光开关的特性，用特定波长的激光来激活探针，然后用另一个波长激光来观察、精确定位以及漂白荧光分子，将此过程循环足够多次后重构得到高分辨率的图像的方法。由于具有激发强度小、宽场分辨能力高、荧光染料适用性强等特点，STORM技术被广泛应用于生物医学领域的研究。STORM技术超高空间分辨率的能力主要依赖于极高的单分子定位精度，即在采集图像时，对应每一帧图像只能激活少量荧光分子。但其缺点是为了收集足够多的光子数来重构一幅完整的图像，通常需要几千帧的采样数，导致采样效率被约束。同时，当获得数据后进行单分子拟合等数据处理时，通常也需要几分钟至几十分钟(针对不同的样品甚至需要几小时)来得到一幅高分辨图像。为了提高STORM技术的成像速度，主要有两种解决途径：一是在同等采样帧数下，加快采样速率，从而提高成像速度，这就需要增大激发光的强度、缩短荧光染料的光开关时间、使用更加快速的探测器，这类方法是传统STORM系统的进一步优化，然而较高的激发光强度会引起样品的损害，不利于对生物样品活性功能的观察。二是减少图像重构所需的采样帧数，这就需要增大荧光分子的激发密度，使得每帧可以累积更多的单分子事件来减少采样帧数。在较高的激发密度下，传统的单分子拟合定位算法便不再适用，以此而发展起来的多分子拟合算法虽然可以提高荧光分子的定位精度，但是在图像重构速度方面还是较慢。Bo Huang课题组[6]首次提出了基于CVX模型的Compressed Sensing-STORM算法(CS-STORM)，在高激发密度的情况下，其定位精度相较于传统算法有了较大的提高，大大减少了图像的采集帧数，但是由于算法的限制，得到一副正常尺寸大小的超分辨图像却需要几天的时间。在专利(CN201510394995.9)，也提出了基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统及方法。但在采样次数与重构时间上还有待于进一步优化。

鉴于此，如何找到进一步减低采样次数减少重构时间的压缩感知成像方案就成了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于随机采样的分块压缩感知成像方法及系统，用于解决现有技术中基于随机采样的压缩感知成像方案采用次数多或及重构时间长，有待于进一步优化的问题。