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基于累积量标准差的超分辨光学涨落成像解卷积优化
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O212.1[理学—概率论与数理统计;理学—数学]
  • 作者机构:深圳大学光电工程学院,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,深圳生物医学工程重点实验室,深圳518060
  • 相关基金:国家重点基础研究发展计划(批准号:2012CB825802); 国家自然科学基金(批准号:61335001,61178080,61235012,11004136); 国家重大科学仪器设备开发专项(批准号:2012YQ15009203); 深圳市科技计划项目(批准号:JCYJ20120613173049560,GJHS20120621155433884)资助的课题.
中文摘要:

超分辨光学涨落成像方法通过计算一组随机闪烁图像序列的累积量来提高空间分辨率.在实际实验中,由于计算的图像序列帧数有限,每个像素上累积量估计的误差将显著影响重构图像的均匀性和连续性.传统超分辨光学涨落成像技术由于缺乏对累积量估计的误差分析,在其后续的Lucy-Richardson解卷积算法中,没有对累积量重构图像的噪声添加约束条件.本文利用基于单组有限长数据的累积量标准差公式,计算了超分辨光学涨落显微图像每个像素上的累积量标准差,并将结果引入Lucy-Richardson解卷积算法中作为迭代优化的偏差阈值.模拟和实验结果表明,在相同图像序列长度下,该优化方法显著提高了超分辨重构图像的均匀性和连续性;在同等图像质量下,该方法可缩短图像序列帧数至原来的一半以下,有望用于活细胞动态超分辨成像.

英文摘要:

The super-resolution optical fluctuation imaging(SOFI) technique enhances image spatial resolution by evaluating the independent stochastic intensity fluctuations of emitters. In principle, it eliminates any noise uncorrelated temporally,and provides unlimited spatial resolution since the calculation of the nth-order cumulant followed by a deconvolution results in an image with n-fold resolution improvement in three dimensions. But in practice, due to limited data length,the statistical uncertainty of cumulants will affect the continuity and homogeneity of SOFI image, which results in the fact that the high order SOFI(typically over 3rd order) cannot improve spatial resolution significantly. Since the variance characterizes the statistical uncertainty of cumulant, we deduce its theoretical expression based on a single dataset.In traditional SOFI techniques, due to lack of statistical analysis of cumulant, there is no noise constraint condition of cumulant in the Lucy-Richardson deconvolution to prevent the algorithm from causing noise amplification. In this paper,based on the cumulant variance formula, we calculate the cumulant standard deviation in each pixel of SOFI image and introduce the results into the Lucy-Richardson algorithm as a DAMPAR to suppress the noise generation in such pixels.The simulation and experimental results show that under the same data length, the deconvolution optimization based on cumulant standard deviation significantly improves the uniformity and continuity of SOFI image. On the other hand,under the premise of identical image quality, this optimization technique can also greatly shorten the image frames to less than half the original, thus promoting the development of super-resolution imaging of living cells.

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876