用于密集随机采样成像的系统和方法技术方案

本发明专利技术的实施例涉及成像技术，并且具体地说，涉及随着时间检测比较弱的信号并使用所检测的信号确定信号发射器位置的成像系统。本发明专利技术的具体实施例涉及用于成像荧光团标记样本以便以比与光学显微术相关联的衍射限制分辨率大得多的分辨率产生样本图像的方法和系统。本发明专利技术的实施例采用交叠发射器图像消歧以允许从密集布置的发射器收集数据，这大大减少了用于产生中间图像的数据收集时间以及在计算上构造高分辨率最终图像所需的中间图像数。本发明专利技术的附加实施例采用分层图像处理技术进一步分辨和判读消歧图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及成像技术，并且具体地说，涉及随着时间检测比较弱的信号并使用检测到的信号确定信号发射器位置的成像系统。
技术介绍
在现代科学研究中采用许多不同类型的成像系统来获取小物体或远距离物体的图像，包含极高分辨率电子显微镜、极高分辨率扫描遂穿(SI￥)和原子力(AFM)成像仪器以 及许多不同类型的光学显微镜、望远镜和图像生成传感器。与大多数类型的成像装置、仪器和技术一样，存在与不同类型显微术相关联的许多不同的折中和平衡。例如，透射电子显微术在固定和稀疏分段的样本上执行，并且因此被约束用在实质上二维无生命样本上。扫描遂穿和原子力显微术是用于获得材料表面的高分辨率图像的非光学技术，但不能用于获得有关表面下面的样本体积的纳米级或微米级内容的信息。所有类型的显微术都以一种方式或另一种方式受分辨率限制的约束，但光学显微术与或许著名的称为“衍射极限”的分辨率限制相关联，其将传统的可见光光学显微术限制到大约200nm的分辨极限。在过去的20年期间，已经开发了各种超分辨率技术来允许通过光学荧光显微术仪器以大大低于传统光学显微术的衍射限制分辨率的分辨率对突光标记的样本成像，最常见的是生物样本。这些技术基于收集随着时间从荧光标记的样本发射的荧光。假如发射荧光团彼此分开大于约200nm的距离，或者换句话说，假如样本中荧光团的位置可通过传统光学显微术分辨，则样本中荧光团的位置在某些情况下可确定达到IOnm以下的分辨率。然而，因为仅当发射荧光团稀疏地布置在样本内时才可判读荧光发射信号，所以需要从稀疏布置的荧光团的不同集合产生一般大量中间图像以便构造荧光标记的物体的超分辨率的最终图像。由此，以累积比较弱的信号来产生更大量中间图像所需的时间为代价获得超分辨率图像。超分辨率成像所需的时间不利于活细胞的成像，活细胞倾向于在收集用来构造超分辨率图像的比较弱的信号所需的时段上移动并改变形状。收集比较弱的信号所需的长时段还可导致活细胞暴露于有害或致命等级的电磁辐射，包含紫外光。获取用于超分辨率成像的充分数据所需的时间还可表示重大试验约束，不管成像的样本类型如何。对于所有 这些原因，设计和开发、制造并使用超分辨率成像方法和仪器的那些人继续寻找与比当前可用的超分辨率方法论和仪器更少的时间和样本准备约束相关联的新的且改进的方法论和仪器。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及成像技术，并且具体地说，涉及随着时间检测比较弱的信号并使用检测到的信号确定信号发射器位置的成像系统。本专利技术的具体实施例涉及用于对荧光团标记样本成像以便以比与光学显微术相关联的衍射限制分辨率大得多的分辨率产生样本图像的方法和系统。本专利技术的实施例采用交叠发射器图像消歧以允许从密集布置的发射器收集数据，这大大减少了用于产生中间图像的数据收集时间以及在计算上构造高分辨率最终图像所需的中间图像数。本专利技术的附加实施例采用分层图像处理技术进一步改善和判读经消歧的图像。附图说明图IA-B例示了典型的光学显微镜。图2A-B例示了与生物样本的可见光光学显微术成像相关联的成像问题。图3A-B例示了绿色荧光蛋白(GFP)的特性。图4示出中性形式与阴离子形式之间的GFP荧光团的相互转换。 图5A-B示出了 GFP和GFP*的吸收和发射曲线。图6A-C例示了对于在荧光显微术中使用的各种不同蛋白和化学荧光团观察到的各种类型吸收和发射特性。图7例示了荧光显微镜内的光路。图8A-B例示了通过荧光显微术对于生物样本获得的大对比度。图9提供了光学系统诸如标准光学显微镜或突光显微镜的抽象表不。图10-12例示了用于光学成像的数学模型。图13-16例示了参考图12讨论的脉冲响应函数h(x，y;x’，y’)的特性。图17-18例示了上面参考图12讨论的基于卷积的数学模型，用于根据到光学系统的图像输入和光学系统的脉冲响应函数计算光学系统的输出图像。图19例示了与光学显微术相关联的衍射极限。图20A-B例示了超分辨率显微术的基础。图21例示了当前实施的超分辨率荧光显微术。图22提供了描述当前实施的超分辨率成像技术的控制流程图。图23提供了描述表示本专利技术一个实施例的密集随机采样成像(DSSI)的控制流程图。图24A-B提供了本专利技术一个实施例采用的在图23的步骤2308中命名的例程“对交叠发射器图像消歧”和由例程“对交叠发射器图像消歧”命名的例程“应用混合模型”的控制流程图。图25-29例示了根据本专利技术一个实施例在对交叠发射器图像消歧中使用的各种步骤。图30A-D例示了根据本专利技术一个实施例在图23的步骤2313和2314中执行的过程。图31-33提供了根据本专利技术一个实施例描述图23中分层计算图像处理步骤2313的控制流程图。图34例示了执行表示本专利技术一个实施例的成像系统内的图像处理步骤的典型的电子计算机。具体实施例方式本专利技术的实施例涉及成像技术，并且具体地说，涉及随着时间检测比较弱的信号并使用检测到的信号确定信号发射器位置的成像系统。在下面的讨论中，本专利技术实施例用作描述本专利技术的上下文，其中本专利技术实施例涉及用于以大于传统光学显微镜的所谓衍射限制分辨率的分辨率对样本具体地说是生物样本成像的方法和仪器。然而，本专利技术的备选实施例涉及许多其它成像应用。在下面将更详细讨论，本专利技术的实施例采用各种计算成像处理方法论，用于对交叠发射器图像消歧，用于将几何单元分层拟合到图像以便进一步精细化原始图像，以及用于判读图像。图IA-B例示了典型的光学显微镜。图IA示出了光学显微镜102的外观，并且图IB例示了典型的光学显微镜内的光路104。光学显微镜包含底座106和垂直支架108，它们一起支撑光源110、样本台112、许多可旋转安装的物镜114以及两个目镜116和118中每个内的一个或多个接目透镜。样本一般放在载玻片上，载玻片又安装到样本台112的上表面以便观看。物镜与样本之间的距离可通过聚焦旋钮120调整，以便在光学上聚焦样本内 的具体水平平面。在显微镜内，光学光路包括由光源126发射的光，其穿过样本、一个或多个物镜128、一个或多个镜筒透镜、一个或多个接目透镜130，并通过透镜系统聚焦在人眼、相机、电荷耦合器件检测器(CCD)或其它类型空间强度检测器内的图像平面132上。图2A-B例示了与生物样本的可见光光学显微术成像相关联的成像问题。图2A示出了生物样本202内物平面的理想化抽象盘形部分。物平面部分包含各种不同类型的微米级和亚微米级的细胞结构204-215。这些结构可包含各种内部细胞器、细胞内的膜以及其它此类细胞组分。尽管不同的细胞组分可具有不同的功能和化学成分，但它们一般具有类似的光学特性，并由此如图2B所示，当使用传统光学显微术观看时，看起来彼此比较没有差另IJ，并且经常与背景难以区分。为了改进不同类型细胞组分之间的对比度，使用显微镜的技术人员经常用被不同组分有差别吸收的各种化学染剂给生物样本染色。然而，许多不同类型组分甚至在染色后仍保持彼此难以区分，并且更重要的是，染剂一般是造成细胞毒害的，并且染色和固定过程一般涉及杀死生物组织的细胞。新近开发了荧光显微术方法和仪器来解决与传统光学显微术相关联的某些成像问题，包含上面参考图2A-B讨论的问题。通过发现并利用绿色荧光蛋白(GFP)、与水母发光蛋白(Aequorea victoria)原始本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.23 US 61/289916;2010.03.31 US 12/7518161.一种成像系统，包括 光检测子系统，照射样本或部分样本以激活所述样本内的光发射器，从所述光发射器激发光发射，并记录一段时间上 所述样本或所述部分样本内的光发射器的中间输出图像；图像生成子系统，处理所述中间输出图像以识别并记录所述样本或所述部分样本内的所述光发射器的初始确定的位置，并且迭代地计算根据光发射器位置模型计算的输出图像，以便对所述中间输出图像中的交叠光发射器图像消歧以产生包含所述样本或所述部分样本内所述光发射器的位置指示的合成图像；以及 图像判读子系统，迭代地将几何图元拟合到由所述图像生成子系统产生的所述合成图像，以便产生所述样本或所述部分样本的一个或多个精细化和判读的图像。2.如权利要求I所述的成像系统，其中所述光检测子系统包括荧光显微术光学子系统。3.如权利要求2所述的成像系统，其中所述光发射器是荧光团，所述荧光团通过暴露于第一频率的光由照射激活并且通过暴露于第二频率的光被激发以发射荧光。4.如权利要求3所述的成像系统，其中所述光发射器是荧光团，所述荧光团通过暴露于第一频率的光被激活并且通过暴露于第二频率的光被激发以发射荧光。5.如权利要求I所述的成像系统，其中所述图像生成子系统通过下述步骤来处理每个中间图像 从所述中间图像滤除噪声以产生经噪声滤除的中间图像； 从所述经噪声滤除的中间图像中选择局部极大值； 从所选择的局部极大值中选择光发射器；以及 对交叠光发射器图像消歧以便将任何附加的所检测的光发射器添加到所选择的光发射器位置。6.如权利要求5所述的成像系统，其中所述图像生成子系统通过对所述中间图像应用高斯滤波器，从所述中间图像中滤除噪声。7.如权利要求5所述的成像系统，其中所述图像生成子系统通过选择具有比所述中间图像中所有相邻像素或体素更高的相关联强度值的像素或体素，从经噪声滤除的中间图像中选择局部极大值。8.如权利要求5所述的成像系统，其中所述图像生成子系统通过下述步骤从所选择的局部极大值中选择光发射器 作为在所述图像中的所述局部极大值的邻域上计算的曲率和所述局部极大值的邻域的平均强度之积，计算每个局部极大值的光点度量；以及 选择所计算的光点度量大于阈限值的那些局部极大值作为光发射器。9.如权利要求5所述的成像系统，其中所述图像生成子系统通过下述步骤对交叠光发射器图像消歧，以便将任何附加的所检测的光发射器添加到所选择的光发射器 将所述光发射器划分成各包括一个或多个初始光发射器的簇；以及 对于每个簇，迭代地 将所选择的初始光发射器的伙伴插入到所述簇中， 将初始光发射器位置和所述伙伴位置拟合到所述簇的观测强度， 计算所述簇的计算图像，根据所述计算图像和观测图像来计算残差统计，以及 当统计测试指示对于包含所述伙伴的所述簇计算的所述残差统计好于在插入所述伙伴之前对于所述簇计算的残差统计时，将所述伙伴添加到所述簇。10.如权利要求9所述的成像系统，其中计算所述簇的计算图像包含将每个光发射器和所述伙伴建模为参数化的高斯强度分布。11.如权利要求I所述的成像系统，其中每个中间图像包括相对于所述成像系统的光轴在样本位置范围上获得的若干二维图像。12.如权利要求I所述的成像系统，其中所述图像判读子系统通过下述步骤迭代地将几何图元拟合到由所述图像生成子系统产生的所述合成图像，以便产生所述样本或所述部分样本的一个或多个精细化和判读的图像 迭代地 选择当前考虑的分层处理级的几何元素集合； 递归地将来自所述几何元素集合的几何元素拟合到来自前一迭代的中间精细化图像，或在第一迭代中拟合到由所述图像生成子系统产生的所述合成图像，以产生一个或多个候选精细化图像；以及 选择候选精细化图像供在随后迭代...

【专利技术属性】
技术研发人员：G达努瑟，PC古德文，
申请(专利权)人：G达努瑟，PC古德文，
类型：发明
国别省市：