细胞器超分辨成像荧光染料

超分辨显微镜提供超越传统光学显微镜衍射极限的成像能力,彻底改变了细胞生物学领域研究。在这一背景下,具有光稳定性、易于修饰和荧光开关可调等独特性能的有机小分子染料获得了新的发展机遇。聚焦于不同细胞器超分辨成像荧光染料,总结了目前可用的超分辨荧光探针的设计和靶向策略。首先简要介绍了三种主要的超分辨成像技术,包括结构光照明显微镜技术、受激发射损耗显微技术和单分子定位成像技术,以及它们对荧光染料性能的不同要求,并介绍了近五年来用于线粒体、溶酶体、细胞膜、脂滴和细胞核的超分辨成像的荧光染料。最后讨论了该领域当前所面临的挑战。

在体全眼微血流超声超分辨成像

多类眼科疾病的早期阶段一般伴有血管的形态学和血流动力学改变,因此,全眼微血管评估对眼科疾病的综合诊断具有重要作用。由于光学成像技术的穿透深度有限,特别是在介质透光率低的情况下,现有的光学成像技术难以对整个眼睛的微血管进行可视化。为此,该文开发了一种超声超分辨成像技术,可以微米级分辨率可视化全眼三维微血管系统。首先,用中心频率为10 MHz的线性阵列快速采集多帧序列;其次,经过微泡信号提取,中心点定位,追踪和中心点叠加得到一个剖面的超分辨率图像;最后,将机械扫描的所有剖面重建为兔全眼三维超分辨率微血管图像。实验结果证明,超声定位显微镜可以显示整个眼睛的微血管系统,这对眼科疾病的早期诊断具有重要意义。

基于超分辨成像增强对拟南芥内质网动态变化的研究

【目的】为了解决在植物细胞内质网的研究中,成像速度与成像分辨率难以同时满足准确识别精细结构和动态变化的瓶颈问题。【方法】使用结构光照明显微成像技术,对拟南芥活体材料中的内质网进行超分辨实时成像,并优化了自监督去噪框架(Blind2Unblind),以进一步提升快速显微成像的信噪比。【结果】建立了对时间序列成像中内质网结构进行定量分析的方法,并通过对环境胁迫下内质网结构动态变化的追踪进一步验证了方法的有效性。此外,各类参数的相关性分析显示管状内质网的面积和长度与生长端和三叉点的数量显著正相关,而内质网池和整体流的面积与管的面积和长度显著负相关。【结论】优化的自监督去噪框架提升了植物活细胞中结构光照明显微图像的信噪比,实现了管状内质网、内质网池、整体流、生长端和节点等复杂结构和动态的量化,各结构间存在复杂相关性。

基于主动相干光学合成孔径超分辨成像的空间目标探测系统

基于宏观反射式傅里叶叠层成像理论,提出一种主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标探测系统。采用主动相干光源配合单个小孔径相机,采集目标低分辨图像序列,通过傅里叶叠层拼接算法重构接近等效合成孔径倍率的超分辨图像。给出了系统的总体方案和详细设计,并通过搭建的宏观反射式近红外主动相干光学合成孔径超分辨成像地面实验装置验证了系统的超分辨成像能力。该系统有望通过小孔径实现等效合成孔径全天时高分辨成像效果,大幅缩减载荷口径需求。弥补传统空间目标探测系统夜间成像能力的不足,提升空间目标夜间探测能力。

基于稀疏和低秩先验的雷达前视超分辨成像方法

在精确制导、自主着陆、地形测绘等多种领域,雷达前视成像至关重要。传统的基于实波束扫描的前视成像方法受到实际雷达孔径约束难以获得高分辨图像。与整个成像场景相比,感兴趣目标通常只占一小部分区域,这种稀疏性使得压缩感知(CS)可以应用于高分辨率前视图像重建。然而,雷达回波中的强噪声影响了基于CS方法生成图像质量。受到最终生成图像具有低秩特性的启发,该文建立了一种联合低秩和稀疏特性的前视超分辨成像模型。为了有效地解决所提模型中的双重约束优化问题,提出了一种在交替方向乘子法(ADMM)框架下基于增广拉格朗日乘子(ALM)的前视图像重构方法。仿真和实测数据实验结果表明,所提方法能够有效提高雷达前视成像的方位分辨率,并且具有较强噪声鲁棒性。

基于倏逝波照明的空间移频超分辨成像技术研究

空间移频超分辨成像技术利用样品表面的微纳结构对照明倏逝波的散射,使其转换为传播波,并将倏逝波携带的高频空间信息转换成低频信息,可被远场的显微物镜所接收,实现超分辨成像.其极限分辨率由照明的倏逝波波长决定,但分辨率仅在倏逝波波矢方向上有提升.在现有的棱镜全反射倏逝波生成方案中,倏逝波的最短波长受棱镜折射率的限制,因此其最高分辨率也受限制;且生成的倏逝波波矢为单一方向,因此分辨率存在方向差异性.为解决上述问题,建立了完整的空间移频超分辨成像仿真模型,并提出了一种新型倏逝波生成方案,可利用微纳结构产生波长更短、具有全方向波矢的倏逝波.结果显示,新方案可产生波长更短的倏逝波,并消除成像分辨率的方向差异性,从而避免现有方案中的多方位成像和图像后处理.空间移频超分辨成像技术具有大视场、高分辨、结构简单、操作方便、无需逐点扫描、可与普通光学显微镜兼容等优点,改进后将具有更广阔的应用空间.

有序金纳米棒阵列的超分辨成像

显微成像技术受限于光学成像系统的衍射极限,无法分辨亚波长尺度的结构。通过饱和散射抑制成像技术已经实现了单个纳米颗粒的超分辨成像,但是涉及到纳米颗粒集合,需要考虑纳米颗粒间的耦合作用。利用超越衍射极限的双光束方法,可以在有序金纳米棒阵列上实现远场超分辨光学成像。本文设计了纳米棒长径比为2的5×5金纳米棒阵列,通过矢量光场理论和热扩散理论计算了金纳米棒阵列在连续波激光下的热分布,并模拟了双光束激光即脉冲激发光和连续波抑制光下的散射成像。仿真结果显示,连续波激光能够有效抑制金纳米棒阵列对脉冲激光的散射,双光束方法实现了80 nm横向特征尺寸的超分辨成像。

基于受激发射损耗显微术的活细胞和活体超分辨成像

细胞作为生命体基本的结构和功能单元,在生物、医学等领域有着非常重要的研究意义。随着现代科学和技术的发展,科学家们借助电镜对细胞以及细胞器的空间结构已经有非常清晰的认识,但是对它们的功能以及细胞之间的相互作用却了解得非常少,而这恰恰又是疾病治疗和药物开发亟需了解的信息,因此对离体活细胞(简称活细胞)和活体生物组织细胞(简称活体细胞)中亚细胞器的研究变得非常重要。然而细胞中许多细胞器的结构在纳米量级,传统的光学成像技术由于受到光学衍射极限的限制是无法观察到纳米量级的生物结构,因此光学超分辨成像技术是目前研究亚细胞器结构和功能的有效工具。在所有光学超分辨显微技术中,受激发射损耗显微术(stimulated emission depletionmicroscopy,STED)由于具有实时成像、三维超分辨和断层成像的能力,非常适合用于纳米尺度的活细胞和活体细胞成像研究,而且STED超分辨成像技术经过近几十年的发展,已经广泛用于活细胞甚至活体小鼠细胞的超分辨动态观测。本文总结了近年来活细胞和活体小鼠神经元细胞等领域STED超分辨成像的研究进展,介绍了用于活细胞和活体细胞STED超分辨成像的荧光染料和荧光蛋白的发展现状,讨论当前活细胞和活体细胞的超分辨成像面临的问题,以及对未来发展的展望。

基于反卷积神经网络的超声导波层合板脱粘缺陷超分辨成像

针对传统超声导波成像检测方法难以精确表征结构损伤细节特征的问题,文中提出了基于深度学习的反卷积神经网络模型,对层合板中亚波长脱粘缺陷的超分辨成像问题进行研究,以获得损伤的细节特征。通过有限元仿真与全聚焦成像算法获取初始成像结果,再使用数据增强方法扩充数据库,最后对标注好的12550张损伤图像进行训练和测试。研究结果表明,与原始全聚焦成像算法相比,反卷积神经网络模型下损伤的成像位置准确度提高了5%,成像精度高于91%,定位误差低于1.8 mm,说明文中所提方法能够明显提高网络成像结果分辨率并较好地显现亚波长损伤的细节特征。上述结果表明文中所提方法具有较高的检测效率,且无需人工经验,在工程实践中具有良好的应用价值。

基于矩阵束算法的多雷达信号融合超分辨成像

利用多雷达回波信号对目标进行融合成像可以有效提高分辨率。本文实现了一种多雷达融合联合超分辨成像算法,该方法基于单雷达观测数据指数和模型,建立了联合的多雷达观测数据模型,并将雷达二维成像的矩阵束算法引入到多雷达观测融合成像中,利用多雷达观测数据估计散射中心的参数,有效提高了分辨率。仿真实验表明,该算法有效提高了雷达成像的分辨性能,有利于后续的目标检测与识别。

一种强杂波背景下SAR目标超分辨成像方法

针对合成孔径雷达图像中存在较强杂波,难以提取目标信息和进行分辨率增强处理的问题,提出了一种强杂波背景下的超分辨成像方法.首先,从信号相关性的角度出发,估计杂波自适应门限来提取目标强散射点;然后,结合梯度下降搜索法提取出目标弱散射点;最后,利用提取后的目标散射点在图像域的稀疏性,通过简化的正则化处理方法,对目标进行分辨率增强处理,实现了目标超分辨成像.角反射器和静止的机动车目标实测数据处理的结果验证了文中方法的有效性.

基于属性散射中心模型的SAR超分辨成像算法

基于属性散射中心模型,提出一种稳健而快速的SAR超分辨成像算法,在超分辨的同时能够考虑到目标的整体结构。首先利用改进的正交匹配追踪算法(OMP)对简化的属性散射中心模型进行参数估计,然后基于估计的模型参数在信号重构时进行二维频谱外推实现SAR超分辨成像。该算法具有较高的运算效率,相对于传统基于点散射模型超分辨算法,能够有效解决部件不连续的问题,并且初始指向角的利用可以取得良好的聚焦效果。仿真实验验证了该算法的优越性。

基于分布式压缩感知的全极化雷达超分辨成像

基于分布式压缩感知理论,提出了一种全极化逆合成孔径雷达超分辨成像算法,联合各极化通道进行超分辨处理.首先,建立全极化信号模型及超分辨字典,利用各极化通道信号的联合稀疏性将全极化超分辨成像建模为最小L2,1范数的优化问题,运用一种快速算法求解该优化问题.由于利用联合稀疏约束,多极化通道联合成像相比于单通道成像能够获得更好的超分辨性能和噪声抑制能力,最终有效提高图像极化融合的效果.同时,采用快速傅里叶变换操作提升了算法的运算效率.基于backhoe的仿真数据实验验证了该算法的优越性.

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.

利用相位模板实现数字全息超分辨成像

为了简化数字全息超分辨记录系统,分别在其物光和参考光部分引入一块相位模板,以获得垂直和倾斜方向照明物体的光束和具有不同载波频率的参考光束.当这些具有不同照射方向的光透过物体后,可以使CCD在位置固定的情况下记录到携带低频和高频信息的物体衍射场,不同载波频率的参考光则保证了高频和低频信息在复合全息图的频谱面上能够相互分离.实验结果证明,通过将记录到的物体高频和低频信息合成,可以获得超出系统衍射极限分辨率的再现像.

频率步进信号距离—方位联合超分辨成像方法

对距离向、方位向二维稀疏的频率步进信号模型,基于压缩感知理论,研究了一种适用于稀疏频率步进回波的距离-方位联合逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)超分辨成像方法.首先对稀疏频率步进回波进行建模,在此基础上构建了距离向和方位向二维稀疏时的联合稀疏基,最后利用二维平滑0-范数法在矩阵域直接进行处理,得到最终的ISAR超分辨成像结果.并对算法复杂度、超分辨性能进行了分析,得出了相应的结论.理论分析和仿真结果表明所提方法在不同稀疏方式、不同稀疏条件下具有更好成像质量、更快处理速度的优势.

像素有效形状对微扫描红外超分辨成像的影响(英文)

超分辨成像是基于过采样来降低频率混叠、提高图像分辨率的技术,而像素有效形状是超分辨相关研究的重要对象。基于实际的红外焦平面阵型提出了"Z"形有效形状模型,并分析了常用的方形模型和"Z"形模型分别得到调制传递函数(MTF)的差别。还提出了形状边界到中心点的差值越小,其得到的MTF越大的假设,通过对不同形状模型的MTF推导分析和数值模拟,其结果证实了这一假设。数值模拟结果还表明圆形模型具有最大的MTF值。上述结论对未来的红外焦平面阵型设计与生产具有参考意义。

分布式雷达超分辨成像的MUSIC方法

多重信号分类(MUSIC)方法已在单基地雷达的超分辨成像中得到较广泛的研究,然而将该方法直接应用到双/多基地形式的分布式雷达超分辨成像上,则会面临收发分置带来的散射信息解相关和波数相位分解等问题.为此利用三维空间平滑和双重线性插值对MUSIC方法进行了改进,给出了分布式雷达超分辨成像的最小信噪比显式表达及其快速计算公式,并据此分析了超分辨成像性能.仿真结果验证了这种基于收发分置形式的MUSIC超分辨成像方法的有效性.

像素感光面形状对基于微扫描的红外超分辨成像的影响

基于微扫描的超分辨成像技术在成像系统光学参数不变的基础上提高图像分辨率,常用于红外成像领域。目前,在基于微扫描的红外超分辨成像研究中,采用理想的正方形模型来仿真红外探测器的感光面形状。但是,由于读出电路的存在,实际探测器产品中像素感光面形状并非严格的正方形,使用正方形模型仿真会导致仿真结果和研究结论的不准确。推导了长方形和"折形"两种感光面模型对成像的影响,并通过与正方形模型的仿真对比确定相应的误差,最后结合实验对前述研究成果进行了验证。结果表明:极限情况下,相对于"折形"模型,使用方形模型仿真的误差高达41%;相同像素填充率时,"折形"感光面越远离中心,对成像的MTF影响越大;基于探测器真实感光面形状的仿真模型能有效提高对红外超分辨成像研究的准确性。

基于四阶混合累积量的雷达目标二维超分辨成像

针对高斯色噪声条件下雷达目标二维成像问题,提出了一种基于四阶混合累积量的二维ESPRIT超分辨成像方法。利用四阶混合累积量对高斯色噪声的自动抑制,降低了噪声对成像质量的影响。通过保持目标特征矩阵结构不变,解决了现仃方法在长采样数据条件下计算量过大的问题。仿真实验表明该方法的成像效果和散射点位置估计精度优于传统方法。