用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—般情況下，人眼能夠分辨的最小物體的尺寸大約為0.1_。若想看到更小的物體，則需要借助于顯微技術(shù)。1873年，德國顯微技術(shù)專家恩斯特.阿貝揭示了光學(xué)顯微鏡由于光的衍射效應(yīng)和有限孔徑分辨率存在極限的原理，正是該原理“束縛” 了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡在納米世界的運(yùn)用。
[0003]當(dāng)顯微鏡的物鏡視野下僅有單個(gè)熒光分子，通過特定的算法擬合，很容易超過光學(xué)分辨率極限。為探索微觀世界，突破光學(xué)顯微鏡的光學(xué)極限的超高分辨顯微技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1981年Barak和Webb首先將單分子跟蹤技術(shù)引入到生命科學(xué)中。盡管單分子的定位精確可以達(dá)到納米級，但它并不能提高光顯微鏡在分辨兩個(gè)或者更多點(diǎn)光源時(shí)的分辨率。
[0004]2002 年 Patterson 和 Lippincott-Schwartz 首次利用綠色焚光蛋白(GFP)的變種(PA-GFP)觀察特定蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。德國Eric Bezig敏銳地認(rèn)識到:應(yīng)用單分子熒光成像技術(shù)，結(jié)合這種熒光蛋白的發(fā)光特性，可以突破光學(xué)分辨率的極限一光激活定位顯微技術(shù)(PALM)誕生了。PALM的成像方法只能用來觀察外源表達(dá)蛋白，對細(xì)胞內(nèi)源蛋白卻無能為力。2006年，美國霍華德-休斯研究所華裔科學(xué)家莊曉薇實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn):不同的波長可以控制化學(xué)熒光分子Cy5在熒光激發(fā)態(tài)和暗態(tài)之間的切換。鑒于此開發(fā)了隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微技術(shù)(STORM)。不管是PALM還是STORM超高分辨顯微鏡方法，其點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)成像仍然與傳統(tǒng)顯微成像一致，需要反復(fù)激活-淬滅熒光分子，所以實(shí)驗(yàn)大多在固定的細(xì)胞上完成。
[0005]2000年，德國科學(xué)家Stefan Hell提出通過物理過程來減少激發(fā)光的光斑大小，直接減少點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的半高寬來提高分辨率，成功研制了受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)(STED)。改變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)實(shí)現(xiàn)突破光學(xué)衍射極限的另一種方法是飽和結(jié)構(gòu)照明顯微技術(shù)(SS頂)。2005年，Gustafsson首先將非線性結(jié)構(gòu)性光學(xué)照明部件引入到傳統(tǒng)的顯微鏡上，得到了分辨率達(dá)到50nm的圖像。但是現(xiàn)有的超高分辨技術(shù)成像速度慢，并且難以拍攝運(yùn)動(dòng)(特別是快速運(yùn)動(dòng))的樣品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的其中一個(gè)目的在于提供一種用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中成像速度慢難以拍攝運(yùn)動(dòng)物體，特別是生物活體的技術(shù)問題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像方法，包括:
[0008]根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體樣品上超高分辨成像目標(biāo)的位置設(shè)置包含所述超高分辨成像目標(biāo)的感興趣區(qū)域R0I ；
[0009]獲取所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度t和所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度V r與位置；
[0010]根據(jù)超高分辨成像模塊的分辨率PPIS、所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度Vr以及所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度Vi獲取所述超高分辨成像模塊的成像幀頻f s；
[0011]根據(jù)所述成像幀頻匕與成像拍攝區(qū)域Sp的關(guān)系計(jì)算所述成像拍攝區(qū)域Sp的尺寸；在樣品上定義一包含超分辨成像目標(biāo)的擬拍攝區(qū)域Si，所述擬拍攝區(qū)域Si的尺寸與所述成像拍攝區(qū)域Sp的尺寸相同，且與感興趣區(qū)域R0I具有相同的運(yùn)動(dòng)速度
[0012]調(diào)整所述擬拍攝區(qū)域Si或者所述成像拍攝區(qū)域Sp的位置，以使所述擬拍攝區(qū)域Si與所述成像拍攝區(qū)域Sp保持重合；并根據(jù)所述擬拍攝區(qū)域Si對運(yùn)動(dòng)物體樣品上超高分辨成像目標(biāo)進(jìn)行超高分辨成像。
[0013]可選地，所述
[0014]根據(jù)超高分辨成像模塊的分辨率PPIS、所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度t以及所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度I獲取所述超高分辨成像模塊的成像幀頻f s的步驟中采用以下公式獲取所述成像幀頻fs:
[0015]IVr-Vj/PPK fso
[0016]可選地，所述獲取所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度t和感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度t與位置可通過以下方式獲取:
[0017]在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)分別采集感興趣區(qū)域R0I的至少兩張圖像；
[0018]對比所述至少兩張圖像中運(yùn)動(dòng)物體樣品和超高分辨成像目標(biāo)的位置，以獲取運(yùn)動(dòng)物體樣品和超尚分辨成像目標(biāo)的位移；
[0019]根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體樣品和超高分辨成像目標(biāo)的位移以及成像幀頻獲取所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度t以及所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度V 10
[0020]可選地，所述獲取所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度t和感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度t與位置通過以下方式獲取:
[0021]在感興趣區(qū)域R0I內(nèi)選定一個(gè)與能夠代表其運(yùn)動(dòng)特征的第一代表點(diǎn)，在超高分辨成像目標(biāo)上選定一個(gè)能夠代表其運(yùn)動(dòng)特征的第二代表點(diǎn)；
[0022]在不同的時(shí)刻分別采集所述第一代表點(diǎn)與所述第二代表點(diǎn)的光強(qiáng)；
[0023]對比分析所述第一代表點(diǎn)與所述第二代表點(diǎn)的光強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系，以獲取運(yùn)動(dòng)物體樣品感興趣區(qū)域和超高分辨成像目標(biāo)的位移和速度。
[0024]可選地，所述調(diào)整所述擬拍攝區(qū)域Si或者所述成像拍攝區(qū)域Sp的位置，以使所述擬拍攝區(qū)域Si與所述成像拍攝區(qū)域Sp保持重合的步驟中，通過以下方式實(shí)現(xiàn)所述擬拍攝區(qū)域Si與所述成像拍攝區(qū)域Sp保持重合:
[0025]根據(jù)所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度VJ周整所述成像拍攝區(qū)域Sp的位置，使所述成像拍攝區(qū)域Sp的運(yùn)動(dòng)與所述感興趣區(qū)域R0I運(yùn)動(dòng)方向相同、速度大小相等。
[0026]可選地，所述調(diào)整所述擬拍攝區(qū)域Si或者所述成像拍攝區(qū)域Sp的位置，以使所述擬拍攝區(qū)域Si與所述成像拍攝區(qū)域Sp保持重合的步驟中，通過以下方式實(shí)現(xiàn)所述擬拍攝區(qū)域Si與所述成像拍攝區(qū)域Sp保持重合:
[0027]所述成像拍攝區(qū)域Sp保持不變，根據(jù)所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度VJ周整樣品池，以使樣品產(chǎn)生與所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度t運(yùn)動(dòng)方向相反、速度大小相等的-V-
[0028]本發(fā)明實(shí)施例通過獲取運(yùn)動(dòng)物體樣品感興趣區(qū)域以及超高分辨成像目標(biāo)的位置與運(yùn)動(dòng)速度，并結(jié)合超高分辨成像模塊的分辨率確定超分辨成像速率，以此為根據(jù)調(diào)整成像拍攝區(qū)域的面積，保證超高分辨成像速率，從而消除拍攝目標(biāo)相對于R0I的運(yùn)動(dòng)對于超分辨拍攝的影響；通過調(diào)整成像拍攝區(qū)域的位置或樣品上擬拍攝區(qū)域的位置，以使成像拍攝區(qū)域與樣品上擬拍攝區(qū)域的位置保持重合，從而消除運(yùn)動(dòng)物體樣品R0I的運(yùn)動(dòng)對超高分辨成像的影響。本發(fā)明可以快速、自動(dòng)地對快速運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行超高分辨成像，也可以自動(dòng)分析運(yùn)動(dòng)物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，尤其適用于精子細(xì)胞、活體組織等各種運(yùn)動(dòng)對象的快速超高分辨成像。
【附圖說明】
[0029]通過參考附圖會(huì)更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中:
[0030]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像方法的流程不意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中調(diào)整成像拍攝區(qū)域與擬拍攝區(qū)域調(diào)整重合過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0034]第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種用于快速運(yùn)動(dòng)物體的超高分辨成像方法，如圖1所示，包括:
[0035]根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體樣品上超高分辨成像目標(biāo)的位置設(shè)置包含所述超高分辨成像目標(biāo)的感興趣區(qū)域R0I ；
[0036]獲取所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度t和所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度V r與位置；
[0037]根據(jù)超高分辨成像模塊的分辨率PPIS、所述感興趣區(qū)域R0I的運(yùn)動(dòng)速度t以及所述超高分辨成像目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度Vi獲取所述超高分辨成像模塊的成像幀頻f s；
[0038]根據(jù)所述成像幀頻匕與成像拍攝區(qū)域Sp的關(guān)系計(jì)算所述成像拍攝區(qū)域Sp的尺寸；定義一包含超分辨成像目標(biāo)的擬拍攝區(qū)域Si，所述擬拍攝區(qū)域Si的尺寸與所述成像拍攝區(qū)域Sp的尺寸相同，且具有相同的運(yùn)動(dòng)速度