超分辨定位成像中的快速數(shù)據(jù)處理方法研究.pdf

1、超分辨定位成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20nm的空間分辨率，可以從分子水平研究細(xì)胞內(nèi)的復(fù)雜工作機(jī)制，已經(jīng)逐漸成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域里必不可少的研究工具，但其缺點(diǎn)是成像速度較慢（通常是分鐘量級(jí)）。因此，近年來(lái)人們致力于研究快速成像探測(cè)技術(shù)以及高密度分子定位技術(shù)，希望在不犧牲成像視場(chǎng)和空間分辨率的條件下，提高超分辨定位成像的時(shí)間分辨率。但是，快速成像探測(cè)技術(shù)會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)流和海量的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)分析都形成了很大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，高密度

2、分子定位技術(shù)需要使用復(fù)雜的分析模型，極大地加重了數(shù)據(jù)分析的負(fù)擔(dān)。本文將針對(duì)以上問(wèn)題，從高效的數(shù)據(jù)處理算法和先進(jìn)的計(jì)算架構(gòu)兩條途徑著手解決超分辨定位成像中的快速數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。主要工作包括：
　　（1）快速稀疏分子定位方法。利用光學(xué)成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的輻射對(duì)稱性，開發(fā)了快速、高精度的稀疏分子定位算法MrSE。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MrSE算法的定位精度可以接近理論極限，而定位速度比傳統(tǒng)高精度算法快1000多倍。通過(guò)優(yōu)化基于MrSE算法的

3、數(shù)據(jù)分析流程，并結(jié)合GPU并行處理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)數(shù)據(jù)分析過(guò)程的GPU并行化處理，使數(shù)據(jù)處理速度提高到650Mpix/s，滿足了快速探測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的需求。
　?。?）高效數(shù)據(jù)削減方法。利用超分辨定位成像中分子的稀疏性，開發(fā)了一種高效的數(shù)據(jù)削減算法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在常規(guī)的稀疏分子定位成像中，此算法可以在不影響超分辨重建質(zhì)量的同時(shí)，將數(shù)據(jù)量削減約20倍。進(jìn)一步將此算法與探測(cè)器中的FPGA嵌入式計(jì)算平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)532

4、Mpix/s的嵌入式數(shù)據(jù)削減，顯著降低了快速探測(cè)帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力。
　　（3）快速高密度分子定位方法。通過(guò)對(duì)高密度分子圖像進(jìn)行去重疊，開發(fā)了可以對(duì)重疊分子進(jìn)行精確定位的快速高密度定位算法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以顯著提高超分辨定位成像技術(shù)的空間分辨率與時(shí)間分辨率，其效果與傳統(tǒng)高密度分子定位算法DAOSTORM相近，但算法復(fù)雜度卻降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。基于此算法，進(jìn)一步開發(fā)了專用的硬件處理器POWERs。POWERs