一种直接结构光照明超分辨显微重建方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111458317A(43)申请公布日2020.07.28(21)申请号202010396335.5(22)申请日2020.05.12(71)申请人北京大学地址100871北京市海淀区颐和园路5号(72)发明人席鹏姜杉乔晖戴琼海(74)专利代理机构北京万象新悦知识产权代理有限公司11360代理人王岩(51)Int.Cl.G01N21/64(2006.01)G06T3/40(2006.01)G06T5/50(2006.01)G06T5/00(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图4页(54)发明名称一种直接结构光照明超分辨显微重建方法(57)摘要本发明公开了一种直接结构光照明超分辨显微重建算法。与传统的SIM和ISM不同，本发明的dSIM的超分辨显微重建算法，首先通过小波提取时间域调制信号，将非相干信号转化成相干信号，再计算每个像素位置上的积累量，利用不同空间位置信号之间的相关性产生超分辨图像；dSIM的自相关算法对重建参数的误差不敏感，dSIM绕过了SIM图像重建中复杂的频域操作，也避免了每步频域操作中的参数误差带来的伪影；同时dSIM保留了SIM成像的优点，具有样本制作流程简单、空间分辨率提高两倍、时间分辨率高、活细胞成像、多色成像等优点；dSIM算法的适应性较强，能够利用实验室SIM、非线性SIM成像系统或商用系统进行实验。CN111458317ACN111458317A权利要求书1/3页1.一种直接结构光照明超分辨显微重建方法，原始图像为3D原始图像，其特征在于，所述直接结构光照明超分辨显微重建方法包括以下步骤：1)得得到原始图像栈：结构光对样品的照射具有N个调制方向，每一个调制方向具有M个相位，N和M均为≥2的自然数，在每一个调制方向上的每一个相位均采集一张原始图像，从而得到N×M张3D原始图像，构成原始图像栈；2)对原始图像栈进行预处理：a)对原始图像栈中的每一张3D原始图像，采用小波包频率分离方法提取每个像素的第一调制频率K1、第二调制频率K2以及零频率K0；b)对每一张3D原始图像，通过组合第一调制频率K1与零频率K0生成第一提取图象，得到第一提取图象栈，以及通过组合第二调制频率K2与零频率K0生成第二提取图象，得到第二提取图象栈，从而由一张3D原始图象生成两张提取图像，构成包括第一提取图象栈和第二提取图象的提取图像栈，提取图像栈中图像的数量倍增，即2N×M张；c)对第一和第二提取图象栈中的每张图像，通过空间频域FFT零填充进行插值，使得采样频率变大，扩大至两倍以上，得到插值后的第一和第二提取图象栈；d)对插值后的第一和第二提取图象栈中的提取图像进行去噪处理，得到去噪后的第一和第二提取图象栈；e)对去噪后的第一和第二提取图象栈中的每一张去噪后的提取图像通过理查森-露西RL算法进行反卷积，提高高频信号的相对强度，得到第一和第二预处理后的提取图象栈，构成预处理后的图象栈，共2N×M张；3)对预处理后的图象栈分别提取第一调制频率K1和第二调制频率K2：a)利用小波包滤波器，从第一预处理后的图象栈中的每一张图像的每一个像素上的时序信号中，提取出第一调制频率K1，以及从第二预处理后的图象栈中的每一张图像的每一个像素上的时序信号中，提取出第二调制频率K2；b)利用低通滤波器从每个像素上提取出的第一调制频率K1和第二调制频率K2的强度的时间演化中分别提取复调制信号，从而将3D原始图像的非相干实数信号转化成相干复调制信号；c)对提取的复调制信号进行FFT插值以增加采样频率，采样频率扩大至两倍以上，得到复调制图象栈；4)各个像素上进行自相关运算：对提取出的复调制图象栈的每个像素处，计算复调制信号的自相关积累量，在每一个调制方向，第一调制频率K1的M个相位产生一张自相关图像，得到N张自相关图像，以及第二调制频率K2产生一张自相关图像，得到N张自相关图像，从而利用不同空间位置信号的自相关积累量生成超分辨图像，每一组原始图像栈对应产生2N张图像；5)自相关图像后处理：首先，对每一张自相关图像进行RL反卷积处理；然后，对反卷积处理后的自相关图像中的每个像素值计算平方根，得到直接结构光照明超分辨显微dSIM中间处理结果；6)dSIM图像融合：将不同调制方向上的第一和第二调制频率上的dSIM中间处理结果进行加和，从而生成2CN111458317A权利要求书2/3页一张最终的dSIM图像。2.如权利要求1所述的直接结构光照明超分辨显微重建方法，其特征在于，在步骤2)的d)中，去噪处理采用空域频域图像进行巴特沃斯低通滤波。3.如权利要求1所述的直接结构光照明超分辨显微重建方法，其特征在于，在步骤3)的b)中，从第一调制频率K1和第二调制频率K2的强度的时间演化中提