超分辨率显微技术浅谈

电子显微镜的景深和显微镜的分辨率

电子显微镜的景深和显微镜的分辨率 显微镜由于电子的波动性，当它通过小孔光阑时会发生衍射现象。衍射结果表现为每个物点形成的像是一个圆斑(周围的副光环可忽略不计)。定义这个衍射圆斑的半径为衍射像差。在像方或物方可分别表示为: (Ar&ff),=0.611/a(1一22a) (1rdff)o=0.61A/ao(1一22b) 式中各符号的意义同前。可以看出加大光阑孔径角as，可以减小衍射差。但实际工作中还应注意这样会带来的不利影响。 景深和焦探(11) 景深就是在保持像清晰的前提下，可允许物面在轴上的移动距离，或者说可允许物上不同部位处的凹凸差。根据图1-10，理想情况下物点P成像在Q点.如果物面在P点前后P’P"之间移动，则在Q看到的物有一定横向宽度。如果透镜有各种像差。该系统实际存在一个对物的可分辨极限(分辨率8)。显微镜价格只要P’P,,间平面上的物点宽度小于或等于s，则在Q处的成像效果与P点处几何物点造成的像斑是相同的，即其清晰度相同。因此可允许的物在轴上最大距离PP"称景深Do，它由下式定出: D0二 (1一23) 式中d一电子光学系统对物的分辨率; ao一电子束的物方有效孔径角. 对于100kV的电镜，偏光显微镜如果分辨率为lnm，物镜孔径角为5X10-1rad，则景深Do=200nm.这表示样品厚度或表面凹凸起伏不超过200nm时，能得到均匀清晰的图像.由此可见景深也常常成为对样品厚度的限制因素之一。

把景深这一特性转换到像方便可得到焦深Df。它就是为了得到清晰度相同的像，可允许的图像显示或记录平面的轴向位移量。参照(1一23)可得: Df=B;/a(1一24) 式中S;一像方的分辨率;a;一电子束的像方有效孔径角。 显微镜像方分辨率S;受观察荧光屏的分辨率所限制。通常荧光屏的分辨率为505m。如电镜最高放大倍数M=10`X，电子束孔径角ao=5X10-’rad，则最长焦深(D1),o,==100M。即使在最低放大倍数M=10’X，相应的ao=1X10-’rad时，最低焦深(Df).二50cm。可见电镜的焦深值很大.这就说明了在透射电镜中为什么我们只对荧光屏调焦，而把像记录在其下方的电子感光板或其上方的35mm胶片上时，总能得到清晰的像。 本文由广州深华实验室仪器设备整合发布

超分辨率图像重建方法综述_苏衡

第39卷第8期自动化学报Vol.39,No.8 2013年8月ACTA AUTOMATICA SINICA August,2013 超分辨率图像重建方法综述 苏衡1,2周杰1张志浩1 摘要由于广泛的实用价值与理论价值,超分辨率图像重建(Super-resolution image reconstruction,SRIR或SR)技术成为计算机视觉与图像处理领域的一个研究热点,引起了研究者的广泛关注.本文将超分辨率图像重建问题按照不同的输入输出情况进行系统分类,将超分辨率问题分为基于重建的超分辨率、视频超分辨率、单帧图像超分辨率三大类.对于其中每一大类问题,分别全面综述了该问题的发展历史、常用算法的分类及当前的最新研究成果等各种相关问题,并对不同算法的特点进行了比较分析.本文随后讨论了各不同类别超分辨率算法的互相融合和图像视频质量评价的方法,最后给出了对这一领域未来发展的思考与展望. 关键词超分辨率图像重建,计算机视觉,图像处理,方法综述 引用格式苏衡,周杰,张志浩.超分辨率图像重建方法综述.自动化学报,2013,39(8):1202?1213 DOI10.3724/SP.J.1004.2013.01202 Survey of Super-resolution Image Reconstruction Methods SU Heng1,2ZHOU Jie1ZHANG Zhi-Hao1 Abstract Because of its extensive practical and theoretical values,the super-resolution image reconstruction(SRIR or SR)technique has become a hot topic in the areas of computer vision and image processing,attracting many researchers attentions.This paper categorizes the SR problems according to their input and output conditions into three main cat-egories:reconstruction-based SR,video SR and single image SR.For each category,the development history,common algorithm classes and state-of-the-art research achievements are reviewed comprehensively.We also analyze the charac-teristics of di?erent algorithms.Afterwards,we discuss the combination of di?erent super-resolution categories and the evaluation of image and video qualities.Thoughts and foresights of this?eld are given at the end of this paper. Key words Super-resolution image reconstruction,computer vision,image processing,survey Citation Su Heng,Zhou Jie,Zhang Zhi-Hao.Survey of super-resolution image reconstruction methods.Acta Auto-matica Sinica,2013,39(8):1202?1213 超分辨率图像重建(Super resolution image re-construction,SRIR或SR)是指用信号处理和图像处理的方法,通过软件算法的方式将已有的低分辨率(Low-resolution,LR)图像转换成高分辨率(High-resolution,HR)图像的技术.它在视频监控(Video surveillance)、图像打印(Image printing)、刑侦分析(Criminal investigation analysis)、医学图像处理(Medical image processing)、卫星成像(Satellite imaging)等领域有较广泛的应用. 收稿日期2011-08-31录用日期2013-01-29 Manuscript received August31,2011;accepted January29, 2013 国家自然科学基金重大国际(地区)合作研究项目(61020106004),国家自然科学基金(61005023,61021063),国家杰出青年科学基金项目(61225008),教育部博士点基金(20120002110033)资助 Supported by Key International(Regional)Joint Research Pro-gram of National Natural Science Foundation of China(6102010 6004),National Natural Science Foundation of China(61005023, 61021063),National Science Fund for Distinguished Young Scholars(61225008),and Ph.D.Programs Foundation of Min-istry of Education of China(20120002110033) 1.清华大学自动化系北京100084 2.北京葫芦软件技术开发有限公司北京100084 1.Department of Automation,Tsinghua University,Beijing 100084 2.Beijing Hulu Inc.,Beijing100084 超分辨率问题的解决涉及到许多图像处理(Im-age processing)、计算机视觉(Computer vision)、优化理论(Optimization problem)等领域中的基本问题[1],例如图像配准(Image registration)、图像分割(Image segmentation)、图像压缩(Image com-pression)、图像特征提取(Image feature extrac-tion)、图像质量评价(Image quality estimation)、机器学习(Machine learning)、最优化算法(Opti-mization algorithm)等,超分辨率是这些基本问题的一个具体应用领域,同时也对它们的研究进展起到了推动的作用.因此超分辨率问题本身的研究具有重要的理论意义.目前超分辨率问题已经成为相关研究领域的热点之一. 在上世纪80～90年代,就有人开始研究超分辨率图像重建的方法,1984年Tsai的论文[2]是最早提出这个问题的文献之一.在这之后有很多相关的研究对超分辨率的问题进行更加深入的讨论.有关超分辨率问题的研究成果,在计算机视觉、图像处理与信号处理领域的顶级会议和期刊都有大量收录. 1998年,Borman等[3]发表了一篇超分辨率图像重建的综述文章.2001年,Kluwer出版了一本详细介

提高显微镜分辨率的方法简述

目录 1 选题背景 (1) 2 方案论证及过程论述 (1) 2.1 像差 (1) 2.1.1 球面像差 (1) 2.1.2 慧形像差 (2) 2.1.3 色像差 (2) 2.2 照明对显微镜分辨率的影响 (2) 2.2.1 非相干光照明 (2) 2.2.2 相干光照明 (2) 2.2.3 部分相干光照明 (3) 2.2.4 临界照明 (3) 2.3 衍射 (3) 2.3.1 对两个发光点的分辨率 (3) 2.3.2 对不发光物体的分辨率 (4) 2.4 光噪声 (6) 3 结果分析 (6) 4 结论 (7) 4.1 提高光学显微镜与电子显微镜分辨率的方法 (7) 4.1.1 提高光学显微镜分辨率的方法 (7) 4.1.2 如何提高电子显微镜分辨率 (7) 参考文献 (9)

1 选题背景 显微镜是实验室最重要的设备之一，对观察微小物体细节的显微镜来说，评价光学显微镜及电子显微镜的重要指标之一是分辨本领。显微镜的分辨能力是指其分辨近距离物体细微结构的能力，它主要是显微镜的性能决定。通常是以显微镜的分辨率级即显微镜能分辨开两个物点的最小距离d来表示，d值越小，则显微镜的分辨能力越强。 人眼本身就是一台显微镜，在标准照明条件下，人眼在明视距离(国际公认为25cm)上的分辨率约等于1/10mm。对于观察两条直线来说，由于直线能刺激一系列神经细胞，眼睛的分辨率还能提高一些，这就是显微镜的分划板使用双线对准的原理所在。人眼的分辨率只有1/10mm，那么比1/10mm小的物体或比1/10mm近的两个微小物体的距离，人眼就无法分辨了。这时人们开始研制出放大镜和显微镜，显微镜的分辨率计算公式为：d=0.61入/NA；式中：d为分辨率(μm)；入为光源波长(μm)；NA为物镜的数值口径(也称镜口率)。 造成显微镜光学像欠缺的因素主要在物镜组，有像差、衍射和光噪声等，它们是影响显微镜分辨率的主要因素，其次照明对显微镜的分辨率也有一定的影响。 对于显微镜的使用者来讲，应该对造成显微镜分辨率下降的因素有比较清楚的认识，并知道克服和减少这些因素的方法。本文从几何像差、色像差、衍射、干涉和照明几个方面分析了对显微镜分辨率的影响,指出了孔径数的增加，从衍射角度看对显微镜分辨率的提高有好处，但从几何像差的角度看则会降低显微镜的分辨率;并指出了照明对显微镜分辨率的影响是不可忽略的等。 2 方案论证及过程论述 2.1 像差 像差可分为单色像差和色像差两大类。单色像差有五种：（1）球面像差；（2）彗形像差；（3）像散；（4）像场弯曲；（5）畴变。其中（1）和（2）是由大孔径引起的，（3）、（4）、（5）是由大视场引起的。显微镜需要大孔径，但不需要大视场，所以显微镜的单色像差主要是（1）和（2）。 2.1.1 球面像差 单球面公式只有在满足近轴光线的条件下才能成立。当孔径较大时，有许多远轴光线也进入了透镜，近轴光线和远轴光线经透镜折射后不能在同一点上会聚。换句话说，主轴上一物点经透镜成像后，像不是一个点，而是一个圆斑，这样就产生了球面像差。消除的方法有二：一是在透镜前加一光阑，用以限制远轴光线的进入。这样做，会使显微镜的孔径数降低，从而降低了显微镜的分辨率。二是用复合透镜法，显微镜物镜就是采用这种方法制作的。

超分辨率成像揭示不同表观遗传学状态下的不同的染色质折叠方式

超分辨率成像揭示不同表观遗传学状态下的 不同染色质折叠方式 多细胞动物基因组在多个空间尺度下被组织起来，整个染色体通过把DNA 包装成单个核小体的方式来分隔在不同的领域。基因、基因簇和调节结构域的大小都在千碱基到兆碱基尺度范围内，而在该尺度范围内，DNA的三维组织形式与多基因的调控机制有关，但是对该组织形式的认识依然不是很清楚。在该尺度范围下，基因组被分隔成不同的表观遗传学状态下的结构域，而这些不同的表观遗传学状态对调节基因的表达来说必不可少。在这里，我们使用高分辨率成像来研究不同表观遗传状态下染色质3D组织形式。我们把果蝇细胞中的基因组结构域分为转录活化、转录失活和多梳抑制（Polycomb-repressed）三种状态，并观察每种状态下不同的染色质组织形式。这三种染色质类型都显示了其3D物理尺寸与结构域长度成幂次压缩，但是每一个类型拥有自己的压缩指数。多梳抑制结构域具有最高密度的包装形式和最有趣的染色质折叠行为，并且结构域的长度越长其染色质的组装密度越高。与彼此相似的转录活化、转录失活状态的组织形态不同，多梳抑制结构域以染色质具有高度的结构域混合为特点。此为，与失活结构域相比，多梳抑制结构域在空间上对同样邻近的活化结构域有更强的排异性。计算模型和基因敲除实验结果表明，在被抑制的染色质的这些特有的组装特性里，多梳蛋白家族介导的可逆的染色质交互作用扮演一个了重要的角色。总得来说，我们的高分辨率成像发现了在千碱基到兆碱基尺度范围下的不同表观遗传学状态中的不同的染色质组装形式，而千碱基到兆碱基长度的尺度大小直接与基因组调控相关。 多方面的证据表明，在千碱基到兆碱基尺度下的染色质空间组织形式对基因组功能很重要。基因、基因簇和调节结构域的大小都出现在这个尺度范围内；此外，通过这个距离范围隔离的基因组成分之间的物理性相互作用，比如启动子-增强子的相互作用，对基因活动来说是非常重要的。最近高通量的染色质构象俘获测量研究发现了，单个染色体被划分为长度从几十个千碱基到几个兆碱基不等的接触结构域或拓扑关联结构域，且这些结构组织形式可能与不同的基因组功能相联系。根据生物化学修饰和DNA结合蛋白的不同，染色质被划分为不同表观遗传学状态的结构域，。但是，染色质的3D空间组织形式在不同的表观遗传学

高分辨熔解曲线

高分辨熔解曲线(high-resolution melt，HRM)分析技术是近几年来在国外兴起的一种用于突变扫描和基因分型的最新遗传学分析方法。它是一种高效稳健的PCR 技术，不受突变碱基位点与类型局限，无需序列特异性探针，在PCR 结束后直接运行高分辨熔解，即可完成对样品突变、单核苷酸多态性-SNP 、甲基化、配型等的分析。因操作简便快速，使用成本低，结果准确，实现了真正的闭管操作，HRM技术受到普遍关注。 HRM 原理 HRM 的主要原理是根据DNA 序列的长度，GC 含量以及碱基互补性差异，应用高分辨率的熔解曲线对样品进行分析，其极高的温度均一性和温度分辨率使分辨精度可以达到对单个碱基差异的区分。同许多荧光 PCR 技术一样，HRM 是利用了特定的染料可以插入DNA 双链中的特性，通过实时监测升温过程中双链DNA 荧光染料与PCR 扩增产物的结合情况记录高分辨率熔解曲线，从而对样品进行检测。如在SNP 的检测中，SNP 位点由于不匹配双链DNA 在升温过程中会先解开，荧光染料从局部解链的DNA 分子上释放，从荧光强度与时间曲线上就可以判断是否存在SNP，而且不同SNP 位点、杂合子与否等都会影响熔解曲线的峰形，因此HRM 分析能够有效区分不同SNP 位点与不同基因型。随着高精度PCR 仪（LightCycler 480 和Rotor-Gene 6000）和饱和性染料（LC Green 、Eva Green 等）的出现为HRM 这一技术的普及使用成为可能。 HRM 特点 由于HRM 完全是基于核酸的物理性质进行分析，因而无需序列特异性探针。基于这种检测原理，HRM 检测不受突变碱基位点和种类的局限，既可以对未知突变进行筛查、扫描，又可以对已知突变进行分析，亦可用于短片段重复序列的分析，所需要的只是在常规 PCR 基础上增加一个饱和染料。所以，相比传统的SNP 或突变分析法和定量探针法，简化了操作时间和步骤，大大降低了使用成本，并且实现了闭管操作，使其用于临床常规化检测成为可能。高分辨率熔解曲线分析可以鉴别出PCR 产物中杂合的单碱基突变 这种方法比起普通的技术来说有更好的灵敏性和特异性。采用这种方法进行的突变的检测不依赖于突变在片段中所在的位置。当片段的大小在400 bp 或者更小时，灵敏性最高。除了能鉴定出未知的杂合突变，高分辨率熔解曲线还可以被用来鉴定特定位点的突变，在这种情况下，扫描未知突变和进行基因分型可以结合在一起，使得分析更为简单。对于目前绝大多数的突变分析方法来说，都很难鉴定出纯合子序列突变。在一些不同种类的小的扩增片段中，高分辨率熔解曲线则显示出了鉴定纯合子序列突变的能力，这种方法能鉴定出大多数的纯合突变。HRM 技术在遗传学研究方面也带来很大便利，只需在PCR 反应体系中加入双链DNA 饱和荧光染料，在PCR 反应之后再花15 分钟，就可以完成96 或384 个样品的DNA 变异扫描。HRM 在这些方面的优势使其具有极强的可操作性，成为近年来国外新兴的遗传学、方法学研究和应用热点。 HRM 技术优势

超分辨率算法综述

超分辨率复原技术的发展 The Development of Super2Re solution Re storation from Image Sequence s 1、引言 在图像处理技术中,有一项重要的研究内容称为图像融合。通常的成像系统由于受到成像条件和成像方式的限制,只能从场景中获取部分信息,如何有效地弥 补观测图像上的有限信息量是一个需要解决的问题。图像融合技术的含义就是把相关性和互补性很强的多幅图像上的有用信息综合在一起,产生一幅(或多幅) 携带更多信息的图像,以便能够弥补原始观测图像承载信息的局限性。 （图象融合就是根据需要把相关性和互补性很强的多幅图象上的有用信息综合在一起,以供观察或进一步处理,以弥补原始单源观测图象承载信息的局限性,它是一门综合了传感器、图象处理、信号处理、计算机和人工智能等技术的现代高新技术,于20 世纪70 年代后期形成并发展起来的。由于图象融合具有突出的探测优越性,在国际上已经受到高度重视并取得了相当进展,在医学、遥感、计算机视觉、气象预报、军事等方面都取得了明显效益。从图象融合的目标来看,主要可将其归结为增强光谱信息的融合和增强几何信息的融合。增强光谱信息的融合是综合提取多种通道输入图象的信息,形成统一的图象或数据产品供后续处理或指导决策,目前在遥感、医学领域都得到了比较广泛的应用。增强几何信息的融合就是从一序列低分辨率图象重建出更高分辨率的图象(或图象序列) ,以提 高图象的空间分辨率。对图象空间分辨率进行增强的技术也叫超分辨率 (super2resolution) 技术,或亚像元分析技术。本文主要关注超分辨率(SR) 重建技术,对SR 技术中涉及到的相关问题进行描述。） （我们知道,在获取图像的过程中有许多因素会导致图像质量的下降即退化,如 光学系统的像差、大气扰动、运动、离焦和系统噪音,它们会造成图像的模糊和变形。图像复原的目的就是对退化图像进行处理,使其复原成没有退化前的理想图像。按照傅里叶光学的观点,光学成像系统是一个低通滤波器,由于受到光学衍射的影响,其传递函数在由衍射极限分辨率所决定的某个截止频率以上值均为零。显然,普通的图像复原技术如去卷积技术等只能将物体的频率复原到衍射极

细胞生物学光学显微镜

2.光学显微镜技术有哪些新发展？它们各有哪些突出优点？为什么电子显微镜不能完全代替光学显微镜？ .答：（1）光学显微镜技术的新发展 光学显微镜技术在细胞学研究中发挥了重要作用，随着多种现代生物学技术与光镜技术的结合，使光学显微镜展现出了新的活力，也有了新的发展。光学显微镜技术主要有普通复式光学显微镜技术、荧光显微镜技术、激光扫描共焦显微镜技术、相差和微分干涉显微镜技术、录像增差显微镜技术等。 （2）光学显微镜技术的优点 普通复式光学显微镜使用简单，操作方便，可以配备多套仪器使用，如暗视野显微镜。 荧光显微镜是目前在光镜水平上对特异性蛋白质等生物大分子定性、定位的最有利工具。 激光扫描共焦显微镜成像清晰，分辨率高，可以通过光学切片观察较厚样品的内部结构。 相差和微分干涉显微镜不需要染色就可以观察活细胞甚至研究细胞核、线粒体等细胞器的动态，并且具有很强的立体感。 录像增差显微镜分辨率比普通光镜提高了一个数量级，而且可在高分辨率下研究活细胞。 光学显微镜的优点如下表所示： 光学显微镜技术荧光显微镜 主要特点 样品进行荧光标记 突出特点 只有激发荧光可以成像 激光扫描共焦显微镜光通过一个小孔或裂缝成 像，只有焦平面的光成像图像比较清晰，分辨率提高1.4~1.7倍 相差显微镜增加一个“相差板”，夸大 样品密度相位差 不需要染色，可观察活体 微分干涉显微镜棱镜折射，增加样品密度的 明暗区别 增加反差，更具立体感 暗视野显微镜倒置显微镜黑暗背景下利用散射光观 察 照射系统和物镜颠倒位置 细胞及细胞器边缘轮廓清晰 增加了集光器和载物台的距离， 可放置培养皿观察 录像增差显微镜计算机辅助微分干涉显微 镜提高了分辨率，可观察颗粒的运动 （3）电子显微镜不能完全代替光学显微镜的原因 尽管电子显微镜具有分辨率高这一光学显微镜无法比拟的优越性，但光学显微镜在科研中的地位是不可取代的。这可以从以下几个方面进行说明。 ①细胞生物学是在显微、亚显微和分子三个结构层次上研究细胞的，在显微水平上研究细胞需用光学显微镜，在亚显微水平上研究细胞需用电子显微镜，因此二者是在细胞的不同显微水平上观察细胞结构的。 ②普通光学显微镜样品易制备，而电子显微镜对样品要求很高。 ③电子显微镜不能观察活细胞及其动态变化。 ④普通光学显微镜操作简单，对环境和设备的要求没有电子显微镜高。

高分辨率溶解曲线

北京泰格瑞分子检验有限公司 高分辨率熔解曲线 高分辨率熔解（High-resolution melting，简称HRM）分析的主要原理是由于DNA序列的片段长短，GC含量、分布以及碱基互补性差异等的不同，在DNA 分子热变性时会使溶解曲线的形状和位置有所不同。同许多荧光PCR技术一样，HRM 利用特定的染料可以插入DNA 双链中的特性，通过实时监测温度变化过程中双链DNA 荧光染料与PCR扩增产物的结合情况记录高分辨率熔解曲线，从而对样品进行检测, 可以迅速的检测出核酸片段中 GC 含量和单碱基的突变。高精度PCR 仪及饱和性染料（LC Green 、Eva Green 等）的出现使HRM得到广泛的普及和应用。 项目： 已知SNP位点检测；外显子突变位点筛查；物种鉴定、品种鉴定；甲基化研究；法医学鉴定、亲子鉴定。 样本要求： 新鲜或异硫氰酸胍保存的细胞(﹥5×106)、组织(﹥50mg)、血液(﹥300μl)等样本原材料，或纯化好的DNA(OD260/OD280在 1.7-1.9之间)、总RNA(OD260/OD280在1.9-2.1之间，完整性好)，或反转录好的cDNA不少于30μl(纯度在1.9-2.1之间，及反转录好的cRNA完整性好)。 技术优势： 高通量：1 次可同时检测多个样本。 高敏度：HRM 检测灵敏度达1%-0.1% ，是传统“PCR+ 测序”方法25-250 倍。特异性好：PCR 产物无需后续处理，特异性强。 重复性好：样品经PCR 扩增后直接进行HRM，直接在同一个PCR 管内进行分析，实现闭管操作，避免交叉污染。 操作简便：只需设计PCR 引物，进行PCR 反应，无需序列特异性探针，无需测序，也不受突变碱基位点与类型的局限。 成本低：相比传统的SNP/突变分析法和定量探针法，简化了操作步骤，缩短了实验时间，大大降低了使用成本。

超分辨率算法综述

图像超分辨率算法综述 摘要：介绍了图像超分辨率算法的概念和来源，通过回顾插值、重建和学习这3个层面的超分辨率算法，对图像超分辨率的方法进行了分类对比，着重讨论了各算法在还原质量、通用能力等方面所存在的问题，并对未来超分辨率技术的发展作了一些展望。 关键词：图像超分辨率；插值；重建；学习； Abstract:This paper introduced the conception and origin of image super resolu- tion technology. By reviewing these three kinds of methods(interpolation,reconstruct, study), it contrasted and classified the methods of image super-resolution,and at last, some perspectives of super-resolution are given. Key words: image super-resolution;interpolation;reconstruct;study;

1 引言 1.1 超分辨率的概念 图像超分辨率率(super resolution,SR)是指由一幅低分辨率图像(low resolution,LR)或图像序列恢复出高分辨率图像(high resolution， HR)。HR意味着图像具有高像素密度，可以提供更多的细节，这些细节往往在应用中起到关键作用。要获得高分辨率图像，最直接的办法是采用高分辨率图像传感器，但由于传感器和光学器件制造工艺和成本的限制[1]，在很多场合和大规模部署中很难实现。因此，利用现有的设备，通过超分辨率技术获取HR图像(参见图1)具有重要的现实意义。 图1 图像超分辨率示意图 图像超分辨率技术分为超分辨率复原和超分辨率重建，许多文献中没有严格地区分这两个概念，甚至有许多文献中把超分辨率图像重建和超分辨率图像复原的概念等同起来，严格意义上讲二者是有本质区别的，超分辨率图像重建和超分辨率图像复原有一个共同点，就是把在获取图像时丢失或降低的高频信息恢复出来。然而它们丢失高频信息的原因不同，超分辨率复原在光学中是恢复出超过衍射级截止频率以外的信息，而超分辨率重建方法是在工程应用中试图恢复由混叠产生的高频成分。几何处理、图像增强、图像复原都是从图像到图像的处理，即输入的原始数据是图像，处理后输出的也是图像，而重建处理则是从数据到图像的处理。也就是说输入的是某种数据，而处理结果得到的是图像。但两者的目的是一致的，都是由低分辨率图像经过处理得到高分辨率图像。另外有些文献中对超分辨率的概念下定义的范围比较窄，只是指基于同一场景的图像序列和视频序列的超分辨处理，实际上，多幅图像的超分辨率大多数都是以单幅图像的超分辨率为基础的。在图像获取过程中有很多因素会导致图像质量下降，如传感器的形

高分辨率熔解曲线分析法之Snakback基因分型法

高分辨率熔解曲线分析法之Snakback基因分型法 背景：DNA的发夹结构作为自身探针扩增用于PCR产物的分子分析。在这之前实体分离或共价修饰的寡核苷酸荧光是必须的。 方法：我们用饱和染料LC Green做不对称PCR，40-45个循环，其中1条引物的5’端包括了一条尾巴，这条尾巴和其延伸引物互补，但这尾巴没有任何特别的共价修饰。样品可以在LightsCycler的转子中快速的扩增，可以在96/384 模块加热PCR仪中进行高通量的扩增。除了扩增扩增子的双链，通过引物尾巴的“弹回”及其延伸引物的杂交形成单链发夹结构。在HR-1（毛细管）或Lightscanner（96/384孔板）上运行高分辨率熔解曲线。 结果：用弹回引物扩增的PCR产物在低温处显示两个发夹结构熔解峰，在高温处显示全部扩增子的熔解峰。发夹结构的熔解温度与其长度（6-28bp）是线性相关，与环的大小成负相关。我们可以轻松的将杂合突变和纯合突变进行基因分型。用弹回探针对100个未知基因型的临床样本的F5 1691G>A进行基因分型，与之前的分型结果一致。我们用2条弹回引物做不对称PCR，分析CFTR基因外显子10的2个范围，通过稀释产物形成分子内部杂合子进行基因分型，分出7种不同的基因型。 结论：弹回引物结合饱和染料基因分型的方法在闭管体系中，只用2条引物便可以提供一条特异的探针，此探针没有特殊的共价修饰。 在分子诊断学中，DNA的发夹结构是非常有用的工具，包括stem-loop探针和 self-probing扩增。stem-loop探针通常叫做“分子信标”，是一段共价修饰的核苷酸，一端末尾是荧光基团，另一端末尾是淬火剂。self-probing扩增用于弹回单链构想多态性（SSCP）和蝎子引物。弹回单链构想多态性SSCP逐渐用于在PCR产物中人工引入二级结构进行SSCP分析。依赖于扩增序列，与引物尾巴互补的8-11bp序列弹回至其延伸产物上，形成了单链发夹结构，虽然弹回SSCP的引物没有共价修饰，电泳已经足够分离发夹结构。 蝎子引物5’端复杂延伸，包括一个探针元素，一对自己互补的茎干序列，一个荧光基团，一个淬光剂，一个阻止5’端延伸复制的拦截单体。在分子内，蝎子比分子信标有些

人眼、光学显微镜以及电子显微镜成像原理、分辨率及其影响因素

人眼、光学显微镜以及电子显微镜成像原理、分辨率及其影响因素 文章主要从人眼成像原理入手，逐步介绍光学显微镜以及电子显微镜的成像原理、分辨率和分辨率的影响因素。分三部分作简要说明。 一人眼成像 1 、人眼结构 人眼成像原理图如下，所取的距离为250米，则人眼成像见下图1： 图1 人眼结构原理图 2 、成像原理 自然界各种物体在光线的照射下，不同颜色可以反射出明暗不同的光线，这些光线透过角膜、晶状体、玻璃体的折射，眼球中的角膜和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，在视网膜上形成倒立、缩小的实像，构成光刺激。视网膜上的感光细胞（圆锥和杆状细胞）受光的刺激后，经过一系列的物理化学变化，转换成神经冲动，由视神经传入大脑层的视觉中枢，然后我们就能看见物体了,经过大脑皮层的综合分析，产生视觉，人就看清了正立的立体像。 人的眼睛是个复杂的成像系统，而人的大脑像CPU处理这些图像，让人能在视觉上感知到图像。人眼成像最主要的是晶状体和视网膜。晶状体调整眼睛的焦距是光束集中到富有视锥细胞和视柱细胞的视网膜上，在进行光电（生物电）变化，由视觉神经把信号传至大脑生成图像。人类的目标就是能制造出能过可以和眼睛相媲美的视觉系统，这是机器智能化的关键部分。

3 、分辨率 说及人眼分辨率首先需要知道如下几个概念： （1）视角：观看物体时，人眼对该物体所张的角度。 （2）分辨角：人眼的分辨角：指刚能看出两黑点时，两黑点对人眼的张角。（3）分辨力：人眼分辨图像细节的能力称为分辨力，可用分辨角来衡量，分辨角的倒数为分辨力。它也反映了人眼的视力。分辨力还与照度及景物相对对比度有关。 人眼分辨率指的是人眼能够分辨两个相邻的点或者线的能力，通常以刚能被分开的两点或两线与眼睛瞳孔中心所成的张角表示。其最小分辨的距离在0.2mm 左右。要观察和分析更小的距离时，就必须借助于专门仪器。观看物体时，能清晰看清视场区域对应的分辨率为2169 ×1213。再算上上下左右比较模糊的区域，最后的分辨率在6000×4000。 4 、分辨率影响因素 分辨率的大小由视网膜分辨影像能力的大小来判定,具体是由眼的屈光介质 决定如角膜、晶体、玻璃体等，如果屈光介质变得混浊或存在不正即近视、远视、散光等时,即使视网膜功能良好，也会看不清。 二光学显微镜 1 、成像原理图 图2 光学显微镜成像原理图 2 、成像原理

突破衍射极限地超高分辨率成像技术发展 (修改)

结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月

一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术指标 显微 技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨 率指标。

普通光学显微镜200-300 500-700 4Pi显微镜100-150 STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜0.05 X光衍射仪0.03-10

二衍射极限 2.1 衍射极限 我们能看到什么？看到多小的围？看得有多清楚？几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨0.1毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。 此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小？科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（0.2微米）左右。如果物体小于0.2微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。

光学显微镜成像原理

物体介于物镜的焦距和二倍焦距之间，成倒立放大的实相，据凸透镜成像规律，知实相在异侧二倍焦距之外。实相位于目镜焦点或者焦点之内，被再次放大，形成放大的虚像。而人的眼睛是可以看到虚像的（这个原理自然清楚）。要搞清显微镜的使用原理，就得对物理中的凸透镜成像有所理解。 { 只有当物体对人眼的张角不小于某一值时，肉眼才能区别其各个细部，该量称为目视分辨率ε。在最佳条件下，即物体的照度为50~70lx及其对比度较大时，可达到1'。为易于观测，一般将该量加大到2'，并取此为平均目镜分辨率。物体视角的大小与该物体的长度尺寸和物体至眼睛的距离有关。有公式y=Lε 距离L不能取得很小，因为眼睛的调节能力有一定限度，尤其是眼睛在接近调节能力的极限范围工作时，会使视力极度疲劳。对于标准(正视)而言，最佳的视距规定为250mm(明视距离)。这意味着，在没有仪器的条件下，目视分辨率ε=2'的眼睛，能清楚地区分大小为0.15mm的物体细节。 在观测视角小于1'的物体时，必须使用放大仪器。放大镜和显微镜是用于观测放置在观测人员近处应予放大的物体的。 （一）放大镜的成像原理 表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像，光路图如图1所示。位于物方焦点F以内的物AB，其大小为y，它被放大镜成一大小为y'的虚像A'B'。 放大镜的放大率 Γ=250/f' 式中250--明视距离，单位为mm f'--放大镜焦距，单位为mm 该放大率是指在250mm的距离内用放大镜观察到的物体像的视角同没有放大镜观察到的物体视角的比值。 （二）显微镜的成像原理 显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放大的像，以供人眼观察。只是显微镜比放大镜可以具有更高的放大率而已。 图2是物体被显微镜成像的原理图。图中为方便计，把物镜L1和目镜L2均以单块透镜表示。物体AB位于物镜前方，离开物镜的距离大于物镜的焦距，但小于两倍物镜焦距。所以，它经物镜以后，必然形成一个倒立的放大的实像A'B'。A'B'位于目镜的物方焦点F2上，或者在很靠近F2的位置上。再经目镜放大为虚像A''B''后供眼睛观察。虚像A''B''的位置取决于F2和A'B'之间的距离，可以在无限远处（当A'B'位于F2上时），也可以在观察者的明视距离处（当A'B'在图中焦点F2之右边时）。目镜的作用与放大镜一样。所不同的只是眼睛通过目镜所看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的已经放大了一次的像。 （三）显微镜的重要光学技术参数 在镜检时，人们总是希望能清晰而明亮的理想图象，这就需要显微镜的各项光学技术参数达到一定的标准，并且要求在使用时，必须根据镜检的目的和实际情况来协调各参数的关系。只有这样，才能充分发挥显微镜应有的性能，得到满意的镜检效果。

基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法与相关技术

本技术公开了一种基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法，包括如下步骤：全卷积神经网络的训练和利用训练好的全卷积神经网络M布置在控制显微镜的电脑上，控制显微镜进行图片拍摄，并对拍摄到的图片进行实时补偿，得到清晰图片。本技术所公开的处理方法大大提高拍摄速度、提高图片质量，抑制散焦模糊，尤其是要对样本拍摄多幅图片时；甚至可以代替自动对焦，去掉控制镜头上下移动的电机，简化光学检测系统。 权利要求书 1.一种基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)全卷积神经网络的训练： 用显微镜拍摄一组清晰图片Y，然后对Y进行高斯滤波，得到对应的散焦模糊照片X，将图像信息数据X、Y转换成numpy数组，然后对数组进行归一化处理，将归一化后的数组分别记为Xnorm、Ynorm，这里Xnorm、Ynorm是两个形状相同的矩阵，形状统一记为 L*W*H*c，L为拍摄的清晰图片的张数，W是矩阵的行数，H是矩阵的列数，如果拍摄的是灰度图片，c为1，如果是彩色图片，c为3； 以Xnorm为网络的输入，Ynorm为网络的输出，学习率设为3E-4，训练时采用Adam优化器，训练网络，得到全卷积神经网络M； (2)显微成像处理： 将训练好的全卷积神经网络M布置在控制显微镜的电脑上，控制显微镜进行图片拍摄，同时利用训练好的全卷积神经网络M对拍摄到的图片进行实时补偿，即将拍摄到的图片首先进行归一化操作，得到1*W*H*c的数组，将该数组作为网络的输入，得到形状为1*W*H*c的输出，将输出去归一化，将像素值映射到0-255，得到清晰图片。

2.根据权利要求1所述的一种基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法，其特征在于，所述全卷积神经网络对网络的输入做卷积，设有二维矩阵A和矩阵B，它们的卷积结果矩阵C的计算公式如下： C(j，k)＝∑p∑qA(p，q)B(j-p+1，k-q+1) 其中，p、q分别是矩阵A的横坐标、纵坐标，j、k分别是矩阵C的横坐标、纵坐标，如果矩阵元素超出边界，其值用0代替。 3.根据权利要求2所述的一种基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法，其特征在于，所述全卷积神经网络做卷积时，输入形状为Winput*Hinput*c的矩阵，与n个 Wfilter*Hfilter*c的卷积核分别卷积，得到形状为Woutput*Houtput*n的输出，W是矩阵的行数，H是矩阵的列数，下标代表了其所属矩阵，c是矩阵的特征通道数； 输出即被视作卷积层所提取的特征，当指定了损失函数并给定了真值以后，卷积核内的参数会根据损失函数的大小按照梯度下降法向梯度下降最快的方向更新，其中 Woutput＝(Winput-Wfilter+2P)/S+1 Houtput＝(Hinput-Hfilter+2P)/S+1 P为填充大小，S为步长。 4.根据权利要求3所述的一种基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法，其特征在于，所述损失函数公式如下： 其中，为网络的损失函数，为网络的输出，为真值，||*||1为L1范数。 5.根据权利要求3所述的一种基于神经网络超分辨率技术的显微成像处理方法，其特征在于，所述全卷积神经网络做卷积时，每个上采样和下采样中卷积核的数量均为32；下采样包

高分辨溶解曲线突变检测

高分辨熔解曲线突变检测 高分辨熔解曲线（High Resolution Melting）技术是近年来兴起的一种全新的突变扫描和基因分型的遗传分析方法。HRM不受突变碱基位点与类型局限，无需序列特异性探针，在PCR结束后直接运行高分辨熔解，即可完成对样品的分析。该方法与其他遗传分型技术相比具有灵敏度高、特异性好、成本低廉、高通量检测的优点，是进行突变检测的迅速、廉价而有效的方法。 HRM原理 HRM是在PCR基础上通过测定DNA双链熔解曲线变化来检测突变的方法，溶解曲线的变化取决于DNA序列、长度、GC含量，因此，可以通过饱和燃料监控熔解曲线的变化来反映核酸性质的差异，从而对样品进行分析。 在双链体的溶解曲线检测时需要添加合适的染料，饱和染料例如SYBR Green 在双链解链过程中会发生重排，无法真实反映DNA熔解情况。不适用于需低温解链的样品而且不能检测异源双链体。因此不能用于熔解曲线的检测。而LC Green (Idaho)是一种与DNA有更强的结合位点，对PCR抑制作用很小的饱和染料，已成功的用于HRM检测中。 HRM操作简便，在PCR结束后添加合适的染料，通过监测升温过程中荧光染料与PCR扩增产物的结合情况来实现的，在Lightscanner仪器（Idaho）升温过程中，双链解开，荧光染料从解链的分子上释放，同时荧光强度降低，所以通过荧光强度和曲线的变化上就可以判断是否存在突变。

HRM的特点和应用 HRM应用： ?检测人类疾病相关基因中常染色体的显隐性和X-连锁

?鉴定人类肿瘤的体细胞突变，肿瘤样品中筛选体细胞突变 ?基因突变扫描：单碱基的改变、插入或缺失 ?特定突变、多态性位点的筛选 ?外显子和短扩增子基因型扫描 HRM特点： ?灵敏度高：杂合子突变体的检测的灵敏度可以达到100%，原则上数据分析时温度升高后纯合子或半合子的突变时检测不到的，但实际上，许多纯合子突变是可以检测到的。如基因突变正好与x连锁，可以在PCR之前加入已知野生型样本来检测半合子或纯合子的突变。 ?特异性好：HRM的特异性可以达到90-100%。短的扩增子特异性要更高 ?不受碱基位点局限，适用范围广 ?在封闭的试管内进行，可降低污染操作简单 ?成本低廉、时间少、误差小、高通量检测 ?检测的样品范围广：HRM检测片段范围在38-1000bp不同来源的样品都可以用于HRM如血粉、口腔细胞、冷冻的肿瘤样品、也可用于酒精固定、福尔马林固定或石蜡包埋的组织等，在人类遗传性疾病的研究中，通常用周边血液淋巴细胞中提取DNA，用于HRM分析。 HRM：实验设计中需要考虑的问题 ?高效的扩增方案的设计对于HRM的成功至关重要。最大的灵敏度和特异性有助于最佳的PCR结果的产生，同时扩增子的溶解特性对于结果也非常重 要。这取决于引物的设计和引物的位置。 ?在实验结果中有时会出现假阳性，这时可以通过调整引物或者扩增参数避免出现假阴性的结果。 ?样品的质量对特异性有一定的影响，因此，进行HRM分析时要选用高质量的样品。 总结 HRM灵敏度高、特异性好