自动估参双步反卷积算法与三维多色活细胞超分辨成像研究

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传统宽视场荧光显微镜具有宽视场、采用普通光照明、还具有非侵入式成像的特点,适用于活体细胞成像,但是由于衍射极限的限制,传统宽场显微成像技术的横向分辨率只有250 nm左右,轴向分辨率为500-750 nm左右,因此细胞中小于200nm的荧光标记蛋白会在传统显微镜下会变得模糊,而这些微小结构恰恰对研究细胞特性以及一些生理学病例具有重要的意义。随着超分辨荧光技术的不断发展,现在有些超分辨技术能够达到20nm左右的横向分辨率,但是超分辨显微镜技术中空间分辨率、时间分辨率、光毒性、成像视场、和成像深度总存在一定的制约,某一指标性能的提升可能会损失另一指标的质量。对活体细胞进行纳米分辨动态成像则需要对成像分辨技术提出更高的要求,这也是现在需要攻克的难题。转盘共焦扫描式结构光显微镜从光路原理上最高可以提升21/2倍分辨率,由于其共焦结构,和传统宽场显微成像系统相比,转盘共焦系统还具有更强的细胞穿透力以及更深的成像深度,从而在厚样本三维成像中更具有优越性。但是转盘共焦扫描式结构光显微镜有限的空间分辨率和较低的信噪比仍然制约着其在活体细胞在纳米级别的动态成像中的应用。针对上述的转盘共焦系统存在的问题,本课题希望从重构算法的角度出发,优化现有转盘共焦系统显微模态的重建模型,抑制噪声的影响并且扩展退化图像高频信息,提出基于傅里叶环相关(Fourier ring correlation,FRC)自动估计迭代点的双步反卷积重构算法对活体细胞进行纳米分辨动态成像研究,本文的主要研究内容如下:(1)当前常用的反卷积技术虽然能比较好的提升退化的衍射图像,但是对噪声却十分的敏感从而对分辨率的提升十分有限,本文以反卷积为基础对传统反卷积算法做了相应的改进,以双步反卷积代替原来的传统反卷积算法,并根据FRC作为指标对反卷积的迭代点进行自动估计以及对点扩散函数(point spread function,PSF)进行估计更新。(2)本文首先针对荧光显微成像过程建立了相应的图像退化模型,并根据此模型编写了相应的仿真验证程序,并通过多项图像评价指标对传统反卷积算法和本文所提算法的复原图像效果做了相应的对比,先从仿真角度验证了本文所提方案的可行性。(3)为实现对活体细胞进行纳米分辨动态成像研究,本文最后基于转盘共焦系统,获取了内质网、肌动蛋白、微管蛋白、线粒体等亚细胞结构的动态成像过程,并把本文所提算法和转盘共焦系统相结合,成功实现转盘共焦系统下进行快、多色以及厚样本的三维成像,并且相对于传统的反卷算法,本文所提方案的复原图像在对比度、信噪比以及分辨率等方面都得到了大幅度的提升。
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