Improved localization accuracy in stochastic super-resolution fluorescence microscopy by K-factor image deshadowing

doi:10.1364/BOE.5.000244

.2013年12月16日；5(1):244-58.

doi:10.1364/BOE.5.000244。

通过K因子图像去阴影提高随机超分辨荧光显微镜的定位精度

塔利·伊洛维茨¹, 阿米海·梅里¹, 卡尔·G·埃贝林², 拉杰什·梅农^三, 乔丹·M·格顿², 埃里克·乔根森⁴, 泽夫·扎列夫斯基¹

附属机构

¹以色列Ramat-Gan 52900 Bar-Ilan大学工程学院。
²美国犹他州盐湖城犹他大学物理与天文学系。
^三美国犹他州盐湖城犹他大学电气与计算机工程系。
⁴美国犹他州盐湖城犹他大学生物学系和霍华德·休斯医学院。

采购管理信息： 24466491
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内政部： 10.1364/BOE.5.000244

通过K因子图像去阴影提高随机超分辨荧光显微镜的定位精度

塔利·伊洛维茨等。生物识别Opt Express. 2013.

.2013年12月16日；5(1):244-58.

doi:10.1364/BOE.5.000244。

作者

塔利·伊洛维茨¹, 阿米海·梅里¹, 卡尔·G·埃贝林², 拉杰什·梅农^三, 乔丹·M·格顿², 埃里克·乔根森⁴, 泽夫·扎列夫斯基¹

附属机构

¹以色列Ramat-Gan 52900 Bar-Ilan大学工程学院。
²美国犹他州盐湖城犹他大学物理与天文学系。
^三美国犹他州盐湖城犹他大学电气与计算机工程系。
⁴美国犹他州盐湖城犹他大学生物学系和霍华德·休斯医学院。

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内政部： 10.1364/BOE.5.000244

摘要

具有亚衍射精度的单个荧光粒子定位是定位显微镜的一个关键优点。现有的方法，如光激活定位显微镜（PALM）和随机光学重建显微镜（STORM），可以实现单个发射体的定位精度，其可以达到比光学显微镜的传统分辨率低一个数量级。然而，这些技术需要同时激活的荧光团在视野中稀疏分布，导致构建完整图像所需的时间更长。本文提出了一种称为K因子的非线性图像分解算法，该算法将图像简化为一组非线性对比度有序分解，其联合乘积将原始图像重新组合。当在定位之前对原始数据实施K因子技术时，可以提高现有标准方法的定位精度，也可以实现重叠粒子的定位，允许使用增加的荧光团激活密度，从而提高数据采集速度。随机探针位置的荧光数据的数值模拟，特别是在高激活荧光团密度下的荧光数据，表明与单次拟合技术相比，定位精度提高了85%。在细胞结构实验数据上实施该概念，在相同的超分辨率图像采集时间内，分辨率提高了37%，在相同分辨率下，超分辨率数据的采集时间减少了42%。

关键词：（100.0100）图像处理；（100.3010）图像重建技术；（100.6640）超分辨率；（180.2520）荧光显微镜。

PubMed免责声明

数字

图1
距离为的两个PSF的图像*3σ~600nm*K因子变换之前（黑色）和K因子变换之后（红色）。

图2
传统PALM的超分辨率图像采集步骤（a）和K因子算法的采集步骤（b）。传统的PALM采集分为三个独立的步骤：使用重复的激活周期进行帧采集，并对激活的荧光团进行成像，然后进行漂白，以最大限度地减少后置采集图像中已经可见的粒子的存在。使用单发射器拟合方法对活化荧光团进行定位。通过对所有帧的分子图像求和，重建和创建超分辨率图像。K因子分析在定位之前添加了一个步骤，并使用计算机软件应用于每个帧。

图3
距离为的两个PSF的重建图像与原始图像之间的最大相关性*3σ~600nm*，作为的函数k个值（左y轴）。作为函数的最大相关性所需的因子数k个值（右y轴）。

图4
（a）重叠PSF的K因子效应*k=0.4*（红色）和*k=0.9*（蓝色）。（b）倍增谐波数对定位中RMS误差的影响，作为中心间距的函数*k=0.9*,*n=48*.

图5
定位误差与检测到的光子、粒子之间的距离有关*3σ~600nm*，无背景噪音。模拟包含*1000*Monte-Carlo迭代。

图6
使用K因子算法作为检测光子的函数，对不同背景噪声光子的检测改进*N个_b条*.颗粒之间的距离为*3σ~600nm*.

图7
使用K因子算法作为不同光子数的花期中心距离函数的定位改进N个，无背景噪声*k=0.9*,*h=8*.

图8
未经处理的单个PALM帧（a）和K因子处理后的单个PAMM帧（b）。标记区域是可以清楚看到差异的地方。（c）（e）和（g）是（a）中标记区域的放大倍数。（d）（f）和（h）是（b）中标记区域的放大倍数。

图9
单分子拟合过程在传统PALM（上排）的单个帧上和通过K因子算法预处理的帧上进行。（b）是（a）中标记区域的放大倍数。PALM分析（蓝色圆圈）定位2个发射器。（e）是（d）中标记区域的放大倍数。K因子预处理，然后进行PALM分析（红叉），定位3个发射器。（c）和（f）显示虚线穿过重叠两个发射器中心的横截面*σ=195nm*分别位于（b）和（e）中图像的上部。

**图10**
从Alexa647标记的微管样本重建成像数据，无需在定位之前进行处理并使用K因子算法。上面一行中的图像表示使用*5,735*帧和下一行中的帧使用*10,000*框架。（a，c）常规PALM分析。（b，d）K因子算法应用于原始数据，然后进行常规PALM分析。

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1. Rayleigh L.，“十五.光学图像理论，特别是显微镜”，伦敦，爱丁堡，都柏林菲洛斯。《科学杂志》。42(255), 167–195 (1896).10.1080/14786449608620902-DOI程序
1. Abbe E.，“Beitrage zur theorie des mikroskops und der mikroscopischen Wahrnehmung”，《建筑评论》。Für Mikroskopische Anat。9（1），413–418（1873）。2007年10月10日/BF02956173-DOI程序

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