超分辨成像中荧光分子定位算法性能比较

　　1　引　　言

　　近年来,超分辨成像技术实现了在分子水平下对活细胞精细结构的观察,成为生物结构和功能成像极其重要的工具[1~7]。光敏化定位显微镜(PALM)是一种典型的超分辨成像技术,在PALM成像过程中,首先利用一种波长的激光激活少量荧光分子,少到激活分子稀疏分布足以保证每个衍射斑至多只包含一个激活荧光分子的程度。再用另一种波长的激光激发和漂白这些被激活的荧光分子,激发态荧光分子能够发射光子。根据光子的空间分布信息,确定其精确位置。当激活的荧光分子都被定位与漂白之后,再进行下一次激活,直到所有的荧光分子被定位与漂白。一幅超分辨图像由若干荧光分子位置叠加获得[8~10]。显然,荧光分子定位是超分辨成像过程中不可缺少的一环。另外,荧光分子定位精度σ是决定超分辨图像的空间分辨率的一个重要因素,定位算法的优劣对超分辨图像质量有重要的影响。

　　荧光分子定位不仅是超分辨成像不可缺少的,在其他方面也应用广泛。这导致大量定位荧光分子的方法被提出,包括质心法(CM)[11~13]、高斯拟合法(GF)[12,13]和极大似然法(MLM)[14,15]等,并对这些算法的性能进行了详细比较[13]。采用仿真手段生成图像,以荧光分子定位精度作为指标,指出质心法和高斯拟合法的优势与不足[16]。对探测器、图像压缩和各种噪声对荧光分子定位精度影响的分析表明绝大多数算法在合适的实验条件下,均能达到纳米级的定位精度[17]。这些工作对实际应用采用合适的算法有积极的意义,同时也为进一步设计更好的算法提供了必要的基础。然而,超分辨成像对算法的要求与其他应用存在差异,具体表现在:1)考虑荧光分子定位精度的同时,需要对定位的速度有一定的要求,毕竟一幅超分辨图像由数十万个荧光分子构成[3~5];2)荧光分子所在子区域的提取是否影响算法的定位效果;3)分析算法能够对距离多近的两个荧光分子定位有利于提高超分辨成像的时间分辨率[3,4],因为每次尽可能多地定位荧光分子将缩短成像时间。对于应用于超分辨成像的新方法,例如广义质心法(GCM)[17]和解线性方程组法(FBM)[18],均能实现实时处理。

　　本文比较了5种常用于超分辨成像的算法:质心法、广义质心法、高斯拟合法、解线性方程组法与极大似然法的性能。在不同水平的信噪比和荧光分子偏移条件下,展示各种算法对荧光分子的定位能力,然后给出两荧光分子的距离与定位精度之间的关系,比较每种算法定位单个荧光分子所需要的平均时间。最后基于每种算法的特点,指出影响它们性能表现的一些原因。

　　2　方　　法

　　先用荧光分子成像模型和噪声模型产生仿真图像,再分别用5种算法对每次产生的仿真图像集进行处理,其结果作为比较这些算法性能的依据。