[發(fā)明專利]基于空頻域混合式重建的超分辨結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110985056.7
• 申請(qǐng)日: 2021-08-25
• 公開（公告）號(hào): CN113670878B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪召軍;雷銘;梁言生
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/64
• 分類號(hào): G01N21/64
• 代理公司: 北京市誠(chéng)輝律師事務(wù)所 11430
• 代理人: 岳東升;楊帥峰

1.一種基于空頻域混合式重建的超分辨結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法，其特征在于：所述基于空頻域混合式重建的超分辨結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法包括以下步驟：

1)產(chǎn)生條紋狀照明光場(chǎng)，條紋狀照明光場(chǎng)的強(qiáng)度分布表示為公式(1)：

其中：

r為二維平面的坐標(biāo)；

d為不同的條紋方向，d＝1，2，3；

i為不同的相移步數(shù)，i＝1，2，3；

I_d為條紋狀照明光場(chǎng)的平均光強(qiáng)；

m_d為條紋狀照明光場(chǎng)的調(diào)制度；

k_d為條紋的波矢量；

為當(dāng)前條紋狀照明光場(chǎng)對(duì)應(yīng)的相位；

2)利用步驟1)得到的條紋狀照明光場(chǎng)分別在不同的條紋方向以及不同的相移步數(shù)的情況下照明并激發(fā)待測(cè)樣品產(chǎn)生熒光信號(hào)；

3)采集熒光信號(hào)，獲得由不同的條紋狀照明光場(chǎng)激發(fā)的原始熒光圖像，具體是：面陣數(shù)字相機(jī)分別采集由步驟2)產(chǎn)生的熒光信號(hào)，獲得由不同的條紋狀照明光場(chǎng)激發(fā)的原始熒光圖像D_d，i(r)，其中：r為二維平面的坐標(biāo)；d是不同的條紋方向，d＝1，2，3；i指示不同的相移步數(shù)，i＝1，2，3；

4)若原始熒光圖像中的不包括離焦背景，則執(zhí)行步驟5)；若原始熒光圖像中包括離焦背景，則執(zhí)行步驟6)；

5)利用空頻域混合式重建算法處理不包括離焦背景的原始熒光圖像，獲得超分辨圖像，具體是：

5.1)計(jì)算每幅原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像w_d,i(r)：

根據(jù)每個(gè)條紋狀照明光場(chǎng)的調(diào)制度m_d、波矢量k_d以及各條紋狀照明光場(chǎng)的相位計(jì)算出每幅原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像w_d,i(r)；

5.2)對(duì)原始熒光圖像進(jìn)行濾波：

設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)為H(k)；

對(duì)原始熒光圖像分別以光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)的共軛H^*(k)為濾波器進(jìn)行低通濾波，得到濾波圖像；

5.3)點(diǎn)乘：

將濾波圖像分別與權(quán)重圖像w_d,i(r)相點(diǎn)乘，并將所有相乘的結(jié)果疊加，得到未去卷積的超分辨圖像I_{SR_woDeconv}(r)；

5.4)去卷積：

利用未去卷積的超分辨圖像I_{SR_woDeconv}(r)和擴(kuò)展光學(xué)傳遞函數(shù)的平方完成去卷積運(yùn)算，獲得最終的超分辨圖像；

所述擴(kuò)展光學(xué)傳遞函數(shù)的平方是將|H(k)|²按照不同的波矢量k_d進(jìn)行平移、疊加得到的；

其中：

所述步驟5.1)中原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像w_d,i(r)的表達(dá)式是：

其中：

m_d為條紋狀照明光場(chǎng)的調(diào)制度；

k_d為波矢量；

為條紋狀照明光場(chǎng)的初始相位；

為相移量；

所述步驟5.2)中光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)為H(k)的表達(dá)式是：

其中：

所述步驟5.2)中進(jìn)行低通濾波的具體實(shí)現(xiàn)方式是：以光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)H(k)的共軛分布H*(k)為濾波器，對(duì)步驟3)所拍攝的原始熒光圖像分別低通濾波，得到濾波圖像Df_d，i(r)；

Df_d，i(r)＝ifft(fft(D_d，i)·H^*(k))；

所述步驟5.3)中未去卷積的超分辨圖像I_{SR_woDeconv}(r)的表達(dá)式是：

其中：w_d,i(r)為原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像；

所述步驟5.3)中的去卷積運(yùn)算是指維納去卷積、Richardson-Lucy去卷積、TotalVariation去卷積或Hessian去卷積；

當(dāng)所述去卷積運(yùn)算為維納去卷積時(shí)，所述維納去卷積的表達(dá)式為：

其中：

A(k)為切趾函數(shù)；

k代表頻譜空間的二維坐標(biāo)；

α為維納去卷積參數(shù)；

所述切趾函數(shù)的表達(dá)式為

其中，k_d為擴(kuò)展頻譜的最大范圍對(duì)應(yīng)的頻率；

所述步驟5.4)中擴(kuò)展光學(xué)傳遞函數(shù)的平方的表達(dá)式是：

6)利用空頻域混合式重建算法處理包括離焦背景的原始熒光圖像，獲得具有層析效果的超分辨圖像，具體是：

6.1)計(jì)算每幅原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像w_d,i(r)：

根據(jù)每個(gè)條紋狀照明光場(chǎng)的調(diào)制度m_d、波矢量k_d以及各條紋狀照明光場(chǎng)的相位計(jì)算出每幅原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像w_d,i(r)；

6.2)對(duì)原始熒光圖像進(jìn)行濾波：

設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)為H(k)，并引入衰減函數(shù)[1-a(k)]，其中a(k)是高斯分布；對(duì)步驟3)所拍攝的原始熒光圖像分別以衰減的光學(xué)傳遞函數(shù)的共軛H*(k)[1-a(k)]為濾波器進(jìn)行帶通濾波，得到濾波圖像；

6.3)點(diǎn)乘：

將濾波圖像分別與權(quán)重圖像w_d,i(r)相點(diǎn)乘，并將所有相乘的結(jié)果疊加，得到未去卷積的超分辨圖像I_{SR_woDeconv_att}(r)；

6.4)去卷積：

利用未去卷積的超分辨圖像I_{SR_woDeconv_att}(r)和擴(kuò)展的衰減的光學(xué)傳遞函數(shù)的平方完成去卷積運(yùn)算，獲得最終的具有層析效果的超分辨圖像；

所述擴(kuò)展的衰減的光學(xué)傳遞函數(shù)的平方是將|H(k)|²[1-a(k)]按照不同的波矢量k_d進(jìn)行平移、疊加得到的；

其中，所述步驟6.1)中原始熒光圖像對(duì)應(yīng)的權(quán)重圖像w_d，i(r)的表達(dá)式是：

其中：

m_d為條紋狀照明光場(chǎng)的調(diào)制度；

k_d為波矢量；

為條紋狀照明光場(chǎng)的初始相位；

為相移量；

所述步驟6.2)中光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)為H(k)的表達(dá)式是：

其中：

所述步驟6.2)中的衰減函數(shù)的表達(dá)式是

其中：

a_att為衰減幅度參數(shù)，取值范圍為從0～1；

k_σ為可調(diào)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；

所述步驟6.2)中進(jìn)行帶通濾波的具體實(shí)現(xiàn)方式是：以光學(xué)系統(tǒng)的衰減的光學(xué)傳遞函數(shù)H(k)[1-a(k)]的共軛分布H^*(k)[1-a(k)]為濾波器；對(duì)步驟3)所拍攝的原始熒光圖像分別帶通濾波，得到濾波圖像Df_d，i(r)；

Df_d，i(r)＝ifff(fft(D_d，i)·H^*(k)[1-a(k)])；

所述步驟6.3)中未去卷積的超分辨圖像I_{SR_woDeconv_att}(r)的表達(dá)式是：

所述步驟6.4)中的去卷積運(yùn)算是指維納去卷積、Richardson-Lucy去卷積、TotalVariation去卷積或Hessian去卷積；當(dāng)所述去卷積運(yùn)算為維納去卷積時(shí)，所述維納去卷積的表達(dá)式為：

其中：

A(k)為切趾函數(shù)；

k代表頻譜空間的二維坐標(biāo)；

α為維納去卷積參數(shù)；

所述切趾函數(shù)的表達(dá)式為

所述k_d為擴(kuò)展頻譜的最大范圍對(duì)應(yīng)的頻率；

所述步驟6.4)中擴(kuò)展的衰減的光學(xué)傳遞函數(shù)的平方的表達(dá)式是：