[發(fā)明專利]一種單分子熒光信號圖像的超分辨定位方法及系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111402210B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設計）人: 唐波;萬文博;李璐;宋小婷
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/11;G06T7/136;G06T7/70;G06T3/40;G06T5/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

本公開公開了一種單分子熒光信號圖像的超分辨定位方法及系統(tǒng)，對單分子熒光信號圖像根據(jù)分割閾值篩選像素點，得到定位點分布圖；利用空間位置約束、定位點約束和時間維度約束對定位點分布圖進行超分辨處理，得到高分辨率熒光信號圖像；對高分辨率熒光信號圖像中的像素點進行約束計算，由得到的有效像素點組成定位圖像。用于單分子熒光圖像的超分辨精準定位，實現(xiàn)了單分子熒光的納米級精準定位。

技術領域

本公開涉及圖像處理技術領域，特別是涉及一種單分子熒光信號圖像的超分辨定位方法及系統(tǒng)。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關的背景技術信息，不必然構成在先技術。

單分子光學顯微成像技術是基于普通的光學顯微鏡成像平臺，例如暗場顯微鏡、熒光顯微鏡和共聚焦顯微鏡，通過對物體微觀結構的放大，在分子水平上揭示生命過程的運轉機制和材料物理化學性能，但是受到光學衍射特性的限制，光學顯微鏡的分辨率不可能無限小，當達到分辨率極限(200nm)時，只能得到一個輪廓模糊的“艾里斑”圖像。因此，單分子光學顯微成像技術無法突破光學衍射極限、提高圖像的空間分辨率。

超分辨成像技術是通過硬件和軟件結合處理方式，突破光學衍射極限，可達到百納米、甚至十幾納米的光學分辨率，已經廣泛用于遙感、醫(yī)學和軍事等領域。雖然目前超分辨顯微成像技術形態(tài)各異，例如受激發(fā)射損耗熒光顯微技術(STED)、結構光照明(SIM)、光激活定位顯微技術(PALM)和隨機光學重建顯微技術(STORM)等，但是原理基本相似，都是通過獲取尺寸極小發(fā)光體(如單個熒光分子)的位置來進行成像，結合軟件計算方式提高獲取圖像的空間分辨率。

超分辨算法是通過處理一系列低分辨率的圖像獲得一幅高分辨率的圖像，核心思想就是將時間分辨率(同一場景的多幀圖像序列)轉換成空間分辨率，從而提高圖像的空間分辨率。超分辨算法主要包括四大類：(1)基于插值算法，首先獲取低分辨率圖像與高分辨率圖像的相對運動信息，通過非均勻插值技術得到高分辨率柵格像素值，結合反卷積處理降低噪音。(2)基于頻率算法，通過低分辨率圖像頻率預估高分辨率圖像的頻譜，結合傅里葉變換算法獲得高分辨圖像。(3)基于重建算法，通過估計低分辨率圖像轉換成高分辨率圖像的配準關系，再利用軟件重建目標圖形。(4)基于學習算法。通過已知的訓練圖像集，深度學習樣品圖像和訓練圖像之間的構效關系，獲得高分辨率圖像。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，目前數(shù)字圖像在數(shù)字化和傳輸過程中常受到成像設備與外部環(huán)境噪聲干擾等影響，例如圖像采集過程中光電探測器EMCCD產生的噪音干擾；熒光成像系統(tǒng)中不同深度消逝波引起的雜信號干擾；實驗條件和外界環(huán)境對圖像信號的干擾等，在定位熒光分子時，易混入非有效像素點，影響成像結果。以及在超分辨率定位方法中，大多基于單幀圖像的某一種屬性對其進行超分辨，例如基于插值的超分辨處理，僅考慮空間約束；然而，單一約束條件的超分辨處理方式不能真實反映時間序列圖像的細節(jié)內容。因此，迫切需要結合多種超分辨算法，建立基于時間、空間、以及有效定位點約束條件的方案。

發(fā)明內容

為了解決上述問題，本公開提出了一種單分子熒光信號圖像的超分辨定位方法及系統(tǒng)，基于時間序列的低分辨率單分子熒光信號圖像，結合降噪算法進行篩選，獲得有效的熒光定位點；基于熒光信號的時間、空間和定位點的約束條件，將低分辨率單分子熒光信號圖像轉換成高分辨率熒光信號圖像，對高分辨率熒光信號圖像中像素點進行精度定位，繼而實現(xiàn)單分子熒光信號圖像的定位。

為了實現(xiàn)上述目的，本公開采用如下技術方案：

第一方面，本公開提供一種單分子熒光信號圖像的超分辨定位方法，包括：

對單分子熒光信號圖像根據(jù)分割閾值篩選像素點，得到定位點分布圖；

利用空間位置約束、定位點約束和時間維度約束對定位點分布圖進行超分辨處理，得到高分辨率熒光信號圖像；

對高分辨率熒光信號圖像中的像素點進行約束計算，由得到的有效像素點構成定位圖像。