[發明專利]一種基于結構光照明的熒光偶極子定向方法

有效

• 申請號: 201711306263.5
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108038824B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 張昊;陳星曄;戴瓊海;席鵬
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G06T3/40
• 分類號: G06T3/40;G06T7/60;G06K9/62
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;劉美麗

本發明涉及一種基于結構光照明的熒光偶極子定向方法，其特征在于，包括以下內容：步驟1)采用結構光顯微系統獲取具有偏振特性的熒光樣本的原始圖像和調制信息，并得到不同空間角度所對應的空間頻域分量，其中，原始圖像是指經結構光顯微系統的相機傳感器采集到的熒光樣本圖像，調制信息是指結構光顯微系統的調制強度、相位和空間角度；步驟2)將所有空間頻域分量進行空間維度頻域拼接得到熒光樣本的二維超分辨率空域圖像；且將所有空間頻域分量的角度維度頻域拓展得到熒光樣本的偏振角度信息；步驟3)將熒光樣本的二維超分辨率空域圖像和偏振角度信息進行匹配得到超分辨率熒光偶極子定向結果。

技術領域

本發明是關于一種基于結構光照明的熒光偶極子定向方法，涉及超分辨率熒光顯微技術領域。

背景技術

熒光顯微是生命科學研究中的一種重要工具。在生命科學研究中，往往對感興趣的區域進行熒光標記，其受到激發光的照射后，發射的熒光將包含生物體的結構和功能信息，為進一步的研究提供可能。然而，普通的熒光顯微系統均使用二維相機傳感器采集信號，其僅僅能夠獲得樣本的空間信息。熒光分子大多數為偶極子，其所發出的熒光往往具有較強的偏振特性，這部分特征將被丟失。事實上，偏振信息在一定程度上能夠反映出生物體的結構特性，例如：在Actin細胞中，偶極子的偏振方向通常垂直于延展方向；利用不同偶極子所發出光的偏振角度的不同，能夠將其進行分離，從而提升空間分辨率。因此，對熒光偏振的研究具有重要意義。

目前，常用的熒光偏振研究方法大概可分為三類：第一類利用不同偏振光通過顯微系統后的衍射圖樣的不同，在采集端用相機拍攝偶極子的衍射圖樣，與原有的圖樣庫進行比對，從而獲得偏振信息；第二類利用熒光的各向異性，其使用圓偏振光激發，使得樣本受到了各個方向均一強度的照明，在采集端使用偏振分束器，將不同角度的偏振光進行分離，通過采集不同角度的發射光信息，能夠計算出空間各個位置的偏振信息；第三類是基于線性二向色性利用旋轉的偏振光激發熒光，由于特定偏振方向的熒光分子在不同偏振角度激發下的發射強度不同，通過采集多個激發角度下的二維圖像，對其偏振信息進行解調。上述三種現有技術中，第一類需要圖像進行高倍放大，相鄰偶極子的衍射圖像將會重疊，導致難以獲得較高的空間分辨率，此外圖樣比對的精度受到信噪比的影響很大；第二類速度較快，但是分束器使得每張圖片上獲得的總光強減小，進而信噪比降低，圖像的質量下降；第三類系統需要采集多張圖片，耗時較長。此外，后兩類技術的光路都較為復雜，不利于在商用系統上集成。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠獲取熒光樣本的超分辨率偏振信息的基于結構光照明的熒光偶極子定向方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種基于結構光照明的熒光偶極子定向方法，其特征在于，包括以下內容：步驟1)：采用結構光顯微系統獲取具有偏振特性的熒光樣本的原始圖像和調制信息，并得到不同空間角度所對應的空間頻域分量，其中，原始圖像是指經結構光顯微系統的相機傳感器采集到的熒光樣本圖像，調制信息是指結構光顯微系統的調制強度、相位和空間角度；步驟2)：將所有空間頻域分量進行空間維度頻域拼接得到熒光樣本的二維超分辨率空域圖像；且將所有空間頻域分量的角度維度頻域拓展得到熒光樣本的偏振角度信息；步驟3)：將熒光樣本的二維超分辨率空域圖像和偏振角度信息進行匹配得到超分辨率熒光偶極子定向結果。

進一步地，所述步驟1)不同空間角度所對應的空間頻域分量的具體計算過程為：步驟1.1)：獲取經結構光顯微系統采集的熒光樣本圖像和相應調制信息，其中，x和y為熒光樣本圖像的像素陣列的橫縱坐標，調制信息包括3個不同空間角度θ₁，θ₂和θ₃，對應的調制強度為m₁，m₂和m₃；對于每個空間角度，包括三個不同的相位和步驟1.2)：對所有熒光樣本圖像分別進行傅里葉變換：