[发明专利]荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统

说明书

本发明公开了荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统，其中，所述荧光多分子定位方法通过采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；之后对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；之后基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置，采用基于频域压缩感知的正交匹配追踪算法实现多分子纳米定位，具有更快的计算速度，大大减少重构所需的时间。

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，特别涉及荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统。

背景技术

荧光显微成像因其具有非侵入性和时间分辨成像的特性被广泛应用于分子和细胞生物学。尽管具有这些优势，然而，标准的荧光显微镜由于受光学衍射极限的限制，对小于衍射极限的小尺度样品来说，无法分辨。光敏定位显微(PALM)、随机光学重建显微(STORM)等技术，通过单分子开关，能够高精度的定位分子的位置，通过随机稀疏的激发分子，定位分子，去激活，重复以上过程，从而可以突破横向约200nm的衍射极限获得纳米级超分辨图像。然而为了达到纳米级的空间分辨率，通常需要数千帧图像重构，重构时间需要几十秒。使用强激光激发可以提高分子开关转换速率，但是这样会引起光漂白，并且强激光对活细胞样品会有损伤，引起信号的衰减。

为了提高时间分辨率，又不引起样品损伤，可以使每帧图像提高激活的分子密度，但是高分子密度图像可能会引起重叠，传统的单分子定位算法无法精确实现定位。现有技术为了实现高密度单分子定位，提出了一系列算法如：最大似然估计中的DAOSTORM，贝叶斯统计，FSSTORM等，其相对于单分子拟合算法，识别分子密度有了一定的提高，但是计算速度均比较慢。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供荧光多分子定位方法、装置以及超分辨成像方法、系统，采用基于频域压缩感知的正交匹配追踪算法实现多分子纳米定位，具有更快的计算速度，大大减少重构所需的时间。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种荧光多分子定位方法，其包括如下步骤：

采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像；

对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱；

对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典；

基于所述傅里叶字典和解卷积之后的图像，根据正交匹配追踪算法计算多个荧光分子的坐标位置。

所述的荧光多分子定位方法中，所述采集多个荧光分子通过光学系统的荧光图像的步骤中，所述荧光图像为：

其中N_q为单个荧光分子发出的光子数，σ为高斯函数的标准差，(x,y)为图像上的坐标，(x_q,y_q)为荧光分子的坐标位置，b为噪声的强度。

所述的荧光多分子定位方法中，所述对所述荧光图像进行傅里叶变换，获得所述荧光图像的傅里叶频谱的步骤中，所述荧光图像的傅里叶频谱为：

其中，M，N为图像的像元数，F(k，l)为光学系统在像元(k，l)处的光学传递函数，B[k，l]为像元(k，l)处的噪声的傅里叶变换。

所述的荧光多分子定位方法中，所述对所述荧光图像的傅里叶频谱进行解卷积运算，并根据解卷积之后的图像构造相应的傅里叶字典的步骤包括：

基于方程