[发明专利]用于密集随机采样成像的系统和方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年12月23日提交的临时申请No.61/289,916的权益。

技术领域

本发明涉及成像技术，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。

背景技术

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(STM)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荧光标记的样本成像，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10nm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。

发明内容

本发明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。本发明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。本发明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1A-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荧光显微镜的抽象表示。

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。