基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统及方法转让专利
申请号 : CN201510394995.9
文献号 : CN105044897B
文献日 : 2017-12-05
发明人 : 王中阳 , 韩申生 , 沈灏 , 刘红林 , 张小伟 , 沈夏
申请人 : 中国科学院上海高等研究院 , 中国科学院上海光学精密机械研究所
摘要 :
一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统及方法，该系统至少包括用于产生多色激发光的激发光源模块；接收所述多色激发光后形成准直激发光的光纤耦合与全内反射模块；对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测的整合模块；控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块的时序电机控制模块；探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理的成像采集分析软件包。本发明完美满足了测量域与图像域的非相干性，使得稀疏约束技术可以发挥最大的功效。在达到纳米级成像分辨率的同时，使现有的超分辨成像速度在数量级上得到提高。在保持原有成像速度的情况下，在空间分辨率上得到很大提高。
权利要求 :
1.一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统实现快速随机光学重构成像方法，其特征在于：该系统至少包括用于产生多色激发光的激发光源模块；
接收所述多色激发光后形成准直激发光的光纤耦合与全内反射模块；
对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测的整合模块；
控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块的时序电机控制模块；
探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理的成像采集分析软件包；
该方法包括以下步骤：
1)、激发光源模块产生多色激发光并输出；
2)、光纤耦合与全内反射模块接收所述多色激发光后形成准直激发光并输出；
3)、整合模块接收所述准直激发光并对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测；同时，时序电机控制模块控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块；成像采集分析软件包探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理；
所述整合模块包括放置探测物的三维纳米平移台、色镜和物镜以及压缩感知系统；所述色镜和物镜依次接收光纤耦合与全内反射模块输出的准直激发光至探测物上，所述压缩感知系统包括滤光片、前置成像透镜、空间随机相位调制器以及电子倍增电荷耦合器；
所述滤光片对探测物发出的宽带热光进行窄带滤波后，所述前置成像透镜将探测物按点到点方式成像于前置成像面；所述空间随机相位调制器对前置成像面上每一点发出的光场经过自由传输后进行空间随机相位调制；所述空间随机相位调制器输出的光形成散斑场于电子倍增电荷耦合器的探测面上，所述探测面上设有多个光电探测单元；所述多个光电探测单元在探测面上随机排布形成阵列，所述电子倍增电荷耦合器对光子数分布进行随机采样探测以及收集空间随机相位调制器输出的信噪比较高的荧光信号；
所述压缩感知处理通过相应的重构算法 寻找信
号的稀疏解，其中，f为目标信号，X为稀疏系数，Y为测量值，Ф为测量基，ψ为表达基，A为测量基Ф和表达基ψ所构建的矩阵。
2.根据权利要求1所述的实现快速随机光学重构成像方法，其特征在于：所述激发光源模块包括两组依次连接的连续激光器、二分之一波片、偏正分束器、光闸、二向色镜/银镜；
所述连续激光器分别输出不同波长的多色单模激光；所述二分之一波片和偏正分束器对该多色单模激光进行强度和相位调制后输出；所述光闸通过其开关进行时序与同步控制、所述二向色镜和银镜接收光闸输出的激光；所述二向色镜和银镜将两个方向的多色单模激光统一入射至一光纤耦合器中形成随机重构光学成像的多色激发光。
3.根据权利要求1所述的实现快速随机光学重构成像方法，其特征在于：所述光纤耦合与全内反射模块包括第一反射镜和第二反射镜以及聚焦透镜；所述第一反射镜和第二反射镜精确控制多色激发光源的空间位置后并输出多色激发光聚焦于物镜的后焦平面。
说明书 :
基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及超分辨成像技术领域，特别是一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像(STORM)装置。
背景技术
[0002] 当今纳米科技的发展离不开纳米显微成像技术，这方面以电子扫描显微镜和原子力显微镜为代表已成为许多实验室的标准配置。然而研究纳米尺度下的电子结构、声子态和等离激元等微观内部状态方面，光学探测技术具有了强大的优势，但受光学衍射极限的限制，它的成像分辨率不能小于λ/(2NA)，其中λ是成像光波长，NA是透镜的数值孔径，使得成像分辨率一般大于180纳米，显微分辨率很难提高。为此研究者们从两种途径来不断推进空间分辨率：1)采用纳米尺寸探针和近场成像技术，使光学成像空间分辨率达到10纳米左右。结合原子力显微镜和表面拉曼增强技术可以进一步提高空间分辨率；2)基于传统的光学远场成像——光学显微镜的基础上不断改进。研究者们从光学共焦显微镜到双光子荧光显微镜到4PI成像技术等，将三维远场成像分辨率推进到100纳米区域。随着受激辐射倒空(STED),基态倒空(GCD),随机光学重建超分辨成像(STORM)，光激活定位超分辨成像(PALM)等新技术相继被提出，从概念上突破了光学衍射极限的限制，把光学显微技术真正提高到了纳米量级。
[0003] 上述的超分辨成像技术中，大部分都是基于宽场成像，其中STORM依靠的基本原理是基于荧光染料的开关，每次激活少量的荧光染料，通过单分子点扩散函数拟合对其定位，以此来实现超分辨率成像。单次采样中如果激活大量荧光染料，会使得无法用此技术中的点扩散函数对每个荧光标记物进行精确定位，从而无法达到超高分辨的分辨率，所以只能通过增加采样次数来完成整个图像的采集。经过足够多次的采样后，获得一系列的图片进行处理从而重构出最终的图像。这就决定了此技术在达到超高分辨率的同时，存在着一个比较严重的问题就是其成像速度被大大制约，通常来说需要几分钟至几十分钟(针对不同的样品成像时间不同，有的样品甚至可能需要几小时)来采集到一幅图像。所以，虽然此技术能够达到非常高的分辨率，但是由于测量时间过长，无法对样品中发生的动态过程进行实时的跟踪测量，通常只能对一些固定的或时间分辨率要求不高的生物样品进行研究。另外，并不是所有的荧光基团都能够被这类方法所识别，通常需要能互相激活的荧光染料对，或者一些特定荧光染料才能够运用到此技术中。为解决上述问题，一方面可以通过采用时分复用的技术，在相同的时刻同时定位不同位置的荧光分子来提高时间分辨率；另一方面可以通过开发新型的高通亮的光控开关荧光分子，增加单位时间内激发的荧光光子数，从而缩短采集时间。压缩感知算法被发现有很大的潜力用于提高宽场超分辨成像技术的采样效率，包括提出STORM技术的庄小威研究组在内的几个研究组也开始研究利用不同的压缩感知算法，希望从信号处理的角度进一步缩短上述光学超分辨成像技术的采样时间，但是其采用的测量矩阵都是类随机矩阵，并不能把稀疏约束的压缩特性充分发挥。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于稀疏约束的快速STORM纳米荧光成像系统及方法，利用随机光学重构中信号本身的稀疏特性，设计对应的测量矩阵，对信号进行整体随机重构，严格满足了稀疏特性和非相干性条件，最大限度的发挥压缩感知技术性能，在时空域上进行超分辨。
[0005] 本发明采用以下技术方案，一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统，该系统至少包括用于产生多色激发光的激发光源模块；接收所述多色激发光后形成准直激发光的光纤耦合与全内反射模块；对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测的整合模块；控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块的时序电机控制模块；探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理的成像采集分析软件包。
[0006] 本发明还提供一种实现快速随机光学重构成像方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 1)、激发光源模块产生多色激发光并输出；
[0008] 2)、光纤耦合与全内反射模块接收所述多色激发光后形成准直激发光并输出；
[0009] 3)、整合模块接收所述准直激发光并对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测；
[0010] 同时，时序电机控制模块控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块；成像采集分析软件包探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理。
[0011] 本发明基于稀疏约束的快速随机重构纳米成像的基本原理：从物理采样模式上进行革新，利用了被数学严格证明了的能够实现超分辨的稀疏约束原理，采用“整体随机”的压缩感知采样模式，将已通过实验验证了的基于稀疏约束和相位调制的压缩感知技术运用于STORM成像中，从原理上克服了原有的随机光学重构中需要每次少量开关荧光标记物或荧光蛋白的限制，大大减少了原有的数百次的采样次数，使得整个测量时间可以从数量级上得到提升，对为获取纳米级观测物动力学过程提供了强有力的支持。
附图说明
[0012] 图1是本发明基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统框图。
[0013] 元件标号说明
[0014] 激发光源模块 101
[0015] 连续激光器 1
[0016] 二分之一波片 2
[0017] 偏正分束器 3
[0018] 光闸 4
[0019] 二向色镜 5
[0020] 银镜 6
[0021] 光纤耦合器 7
[0022] 光纤耦合与全内反射模块 102
[0023] 第一反射镜 9
[0024] 第二反射镜 8
[0025] 聚焦透镜 10
[0026] 整合模块 103
[0027] 滤波器 13
[0028] 色镜 14
[0029] 物镜 15
[0030] 探测物 16
[0031] 时序电机控制模块以及软件 104
[0032] 包
[0033] 空间随机相位调制器 12
[0034] 电子倍增电荷耦合器 11
具体实施方式
[0035] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0036] 需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0037] 请参阅图1所示，一种基于稀疏约束的快速随机光学重构成像系统，该系统至少包括用于产生多色激发光的激发光源模块101；接收所述多色激发光后形成准直激发光的光纤耦合与全内反射模块102；对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测的整合模块103；控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块的时序电机控制模块以及探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理的成像采集分析软件包104。
[0038] 所述激发光源模块101包括两组用于分别输出不同波长的多色单模激光的连续激光器1、对该多色单模激光进行强度和相位调制的二分之一波片2和偏正分束器3、通过其开关进行时序与同步控制的光闸4、依次接收光闸输出的二向色镜5和银镜6；所述二向色镜5和银镜6将两个方向的多色单模激光统一入射至一光纤耦合器7中形成随机重构光学成像的多色激发光并输入至光纤耦合与全内反射模块102中。
[0039] 所述光纤耦合与全内反射模块102包括用以精确控制多色激发光源空间位置的第一反射镜9和第二反射镜8以及用于控制多色激发光聚焦于物镜的后焦平面的聚焦透镜10。
[0040] 所述整合模块103包括放置探测物16的三维纳米平移台、依次接收光纤耦合与全内反射模块102输出的准直激发光的色镜14和物镜15以及采用整体随机的测量模式对信号进行探测的压缩感知系统。
[0041] 所述压缩感知系统包括对探测物16发出的宽带热光进行窄带滤波的滤光片13、将探测物16按点到点方式成像于前置成像面的前置成像透镜、对前置成像面上每一点发出的光场经过自由传输后进行空间随机相位调制的空间随机相位调制器12、将空间随机相位调制器12输出的光形成散斑场于设有多个光电探测单元的探测面上；所述多个光电探测单元在探测面上随机排布形成阵列，对光子数分布进行随机采样探测以及收集空间随机相位调制器输出的信噪比较高的荧光信号的电子倍增电荷耦合器11。
[0042] 本发明还包括一种实现快速随机光学重构成像方法，该方法包括以下步骤：
[0043] 1)、激发光源模块产生多色激发光并输出；
[0044] 2)、光纤耦合与全内反射模块接收所述多色激发光后形成准直激发光并输出；
[0045] 3)、整合模块接收所述准直激发光并对所述准直激发光进行成像、扫描、空间调制及探测；
[0046] 同时，时序电机控制模块控制所述激发光源模块、光纤耦合与全内反射模块以及整合模块；成像采集分析软件包探测采集到的数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理。
[0047] 本发明研制的快速随机光学重构成像系统中的激发光源模块101提供多色单模激光源，经过二向色镜6，银镜5和光纤耦合器7，进入光纤耦合与全内反射模块102进行全内反射调制，成像、扫描、空间调制与探测整合系统模块103将光纤耦合与全内反射模块102输出的准直激发光经二向色镜14和物镜15，大角度照射在样品表面，由于全内反射效应，使得只有探测物表面的荧光基团被激发，大大降低了背景噪声的影响，信噪比较高的荧光信号通过物镜15的另一边缘返回，经过二向色镜14和滤光片13，被空间随机相位调制器12进行空间调制后，最终由电子倍增电荷耦合器11收集。
[0048] 本发明中所述的整合模块103采用了整体随机的测量模式对信号进行探测，其设计实现了上述基于压缩感知系统原理，滤波片13和二向色镜14对通过物镜15收集到的探测物体16发出的荧光进行滤波，探测物16的像面上每一点发出的荧光光场经过自由传输后，由空间随机相位调制器12对它进行空间随机相位调制，最终在电子倍增电荷耦合器11的探测面上形成散斑场。由于探测物16的荧光信号中各点光源可近似为空间不相干，这些点光源形成的散斑场在探测面上按强度叠加。多个光电探测单元在探测面上随机排布形成阵列，对光子数分布进行随机采样探测。数据采集完之后，通过稀疏重构算法由探测到的原始信号恢复出目标物体的图像。
[0049] 所述时序电机控制模块与成像采集分析软件包将控制激发光源101、光闸4、全内反射模块调节装置102、探测物16的载物三维纳米平移台、以及电子倍增电荷耦合器11，对其进行高精度的时序控制。此外，成像采集分析软件包将主要处理采集到的大量数据，并进行随机重构成像处理和压缩感知处理，最终获得超高分辨率的图像。
[0050] 本发明激发光源模块101的设计要求激发光稳定性强，光闸切换频率高、切换时间准确。
[0051] 所述光纤耦合与全内反射模块102首先将激发光源模块101的激发光通过光纤接入，通过在光纤耦合器7中耦合的微调装置以达到准直的目的。由于随机光学重构纳米荧光成像是弱信号甚至是单分子荧光现象的探测，需要用到全内反射技术，只激发探测物体表面的荧光标记物而不收集探测物体内部的信号，从而提高信噪比，使得弱信号得以被采集到。全内反射技术要求激发光从物镜的边缘处入射，以大角度激发到探测物体表面，从物镜的另一边缘处收集物体表面的荧光信号，从光纤耦合器7出来的激发光通过反射镜8、9，用以精确控制入射光的空间位置，然后经过聚焦透镜10，来控制激发光聚焦于物镜的后焦平面，获得最佳的全内反射效果。
[0052] 如何能够在保证STORM其原有超高空间分辨率的同时能提高其时间分辨率，成为拓展STORM成像技术的关键技术问题。在STORM的整个成像过程中，需要经过足够多次的采样，每次采样只激活少数的荧光基团，探测系统也只采集了少量非零信号(对应于少数的荧光基团发出的荧光信号)和大量的零信号或接近于零的信号，使得采样信号在空间上具有非常强的稀疏性。这一稀疏特性恰恰是压缩感知理论运用的基础，通过利用信号的稀疏先验，具备了压缩采样率，从而加快成像速度的能力。
[0053] 本发明利用了满足稀疏约束条件的信号可以实现超分辨的能力的证明，围绕这个思路设计了基于稀疏约束的快速随机光学重构方法。本发明设计了整体随机光学调制器，完美满足了测量域与图像域的非相干性，使得稀疏约束技术可以在此项目中发挥最大的功效。本发明所研究体系具体从以下两个方面对减少采样率、加快成像速度做出了贡献：1)由于满足了稀疏特性和非相干性，可以发挥稀疏约束的超分辨能力，使得信号在变换域中范围扩大后依旧能够重构出信号，在空间域中能够获得更高的分辨率，这就意味着当采样率不变的情况下，可以获得比传统STORM更高的分辨率，或者在分辨率不变的条件下，可以同时激活更多的荧光基团还依旧可以分辨，根据相关的实验论证，这部分将使成像速度有所提高；2)本发明所运用的压缩感知技术本身可以通过稀疏先验和对应的重构算法准确恢复或以很大概率恢复原始信号。它所需的信号采样数目远少于奈奎斯特采样定律所规定的信号采样数目，实际采样次数m≈klog(n/k)，其中k为稀疏度，这部分又将成像速度提升。
[0054] 不同于传统的逐点扫描测量模式，压缩感知采用整体随机的测量模式对信号进行探测，在合适的信号稀疏表达域中，通过稀疏重构算法，用远小于信号元素数目的采样信号以一定精度恢复出原始信号。本方案采用的“整体随机”采样模式使得在信号采集阶段实现了数据压缩。运用压缩感知理论有两个重要核心，一是目标信号的稀疏表达，二是测量的非相干性。目标的稀疏表达指的是将信号在表达基ψ下展开后其变化系数是稀疏的，即只有相对较少的系数有较大的数值，大部分系数的值都接近于或等于零。本发明将应用到的随机光学重构中的目标信号，是单分子或者少个分子荧光信号，完全符合这个要求。测量的非相干性则是指，用测量基Ф去探测物体，该测量基与信号稀疏的表达基应该是非相干的。实际应用中，我们将使用类噪声的随机信号作为测量基来满足这一非相干性。满足以上两个条件，构建信号探测过程，假设目标信号为f，其稀疏系数为X，测量值为Y，则可以构造出以下最小l1范数规范凸规划问题： 压缩感知理论中通过相应的重构算法寻找信号的稀疏解。
[0055] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和技术效果：
[0056] 1、本发明整体随机光学调制器，完美满足了测量域与图像域的非相干性，使得稀疏约束技术可以发挥最大的功效。
[0057] 2、本发明在搭建完成后，在达到纳米级成像分辨率的同时，使现有的超分辨成像速度在数量级上得到提高。
[0058] 3、本发明在搭建完成后，在保持原有成像速度的情况下，在空间分辨率上得到很大提高。
[0059] 综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0060] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。