[发明专利]使用小波分析进行单颗粒定位的方法和装置

说明书

背景技术

随着科技进步到单颗粒检测，用于生物应用的光学显微术领域有了质的飞跃。近年来，在许多实验室中，在生物学和生物物理学中使用成像技术进行单颗粒试验已经成为例行程序，这提供了对众多生物学过程的新视野。在大多数情况下，对单颗粒试验的定量分析的第一步是在纳米级范围(正好在光学显微镜的衍射极限以下)中利用亚像素精度确定颗粒的位置。例如，在连续时移图像中荧光地标记的蛋白质的精确位置可用于确定薄膜蛋白的扩散特性或用于解开分子马达的步进机制。

近年来，发展出了若干超分辨率光学显微技术，这些技术超越了光学系统中光的衍射极限(通常大约为250nm)。其中包括(荧光)光激活定位显微术((F)PALM)、随机光学再现显微术(STORM)、基态减损显微术(GSD)。这些技术都是基于单个荧光团的稀疏子集的连续图片转换。它们开拓了精确地确定由每个单点发射体创造的点分布函数(PSF)的中心的能力；基本上，图像的分辨率通过所实现的颗粒定位精度确定。这些技术正变得越来越普及，这是由于它们的可负担能力以及在传统的全内反射荧光(TIRF)显微镜上相对简单的实施方式。

通常，随机光学再现包括三步：(i)从样本中获取数万个单颗粒的图像；(ii)多达百万个独立的单个发射体的精确定位；以及(iii)从检测到的单独颗粒的位置重构的超分辨率图像的可视化。这些步骤的顺序特性以及高采集帧速率和处理步骤的缓慢性通常会阻碍用户在图像采集期间观察超分辨率图像。因此，对于日常用户而言无法在后处理之前访问数据，导致巨大的时间损失，因为整体采集传递路径必须被碎片化。

图1示出了利用如PALM显微术的随机光学再现技术记录和再现超分辨率图像的典型过程100。过程100包括用荧光显微镜(未示出)获取图像，随后根据下列步骤后处理所获取的图像。在步骤102，可见光的短脉冲激活大范围地分离得足够远的荧光团的子集以单独地分辨每个PSF。在步骤104，使用具有不同波长的第二激光激发活性荧光团，直到它们(不可逆的)光褪色，同时记录一幅或多幅图像112。相继地重复步骤102和步骤104进行激活，随后将荧光团的不同子集不可逆转地光褪色，直到成像的荧光团的密度足够高到用于相关结构的完全再现(通常为几千帧)。一旦完成了图像采集，便进行后处理，从步骤106中的以逐帧方式检测被成像的荧光团开始。一旦在具体帧中检测到可能的荧光团，在步骤108，利用类似于PSF的分布，通过拟合高斯函数来确定荧光团的位置。对所采集的数据的每个帧重复步骤108。在步骤110，通过将所有定位叠加以形成超分辨率图像116来获得再现图像。如本领域技术人员理解的是，一个或多个处理器和/或处理单元可执行步骤106、108和110。

用于PSF拟合的标准数学模型是二维高斯函数，因为它在定位方面具有良好的性能。通常，采集步骤102和104需要数分钟，而当执行高斯拟合时，处理步骤106、108和110会占据多达几小时的计算时间，因为它需要迭代的最小化步骤，通常为最大相似估计法(MLE)或非线性最小二乘法(NLLS)。这使得实际上不可能在采集之后对显微镜中获得的结果进行快速评估以及改进现场的试验条件。最近，提出了一种MLE高斯拟合的大规模并行实施方式。该方案极大地降低了计算时间，但需要使用专用的图形处理单元(GPU)硬件架构。

发明内容

本公开的实施例包括用于估算一个或多个颗粒(例如，细胞、微粒、和/或以荧光团记号标记颗粒)在三维(3D)空间中的位置的一种设备、一种相应的方法和一种相应的非暂时性计算机程序产品。在至少一种情况下，该设备包括成像系统(如散光成像系统)，其具有关于成像系统的光轴不对称的点分布函数(PSF)。该设备还包括与成像系统光学通信的检测器，该检测器被配置为在3D空间中检测平面的图像。与所述检测器可操作地耦接的存储器被配置为存储图像的表示。该设备还包括处理器，其可操作地耦接到存储器和/或检测器。在至少一些实施例中，处理器包括图形处理单元(GPU)，该GPU被配置为执行下面描述的一个或多个步骤。

在至少一些实施例中，处理器被配置为通过执行一系列的步骤来定位一个或多个颗粒，这些步骤可被编译为存储在非暂时性计算机程序产品中的指令。处理器接收图像(的表示)并对图像执行小波分解以形成图像的小波图。处理器可被配置为使用à trous小波分解技术或任何其他适合的小波分解技术执行小波分解。