具有混合解混的高光谱成像系统

本公开大体上涉及成像系统。本公开涉及高光谱成像系统。本公开进一步涉及产生目标的解混彩色图像的高光谱成像系统。本公开进一步涉及一种高光谱成像系统，其被配置成使用混合解混技术来提供目标的增强成像。本公开进一步涉及一种高光谱成像系统，其被配置成使用混合解混技术来提供多路复用荧光标记的增强成像，从而实现具有减小的照明强度的多个荧光信号的纵向成像。本公开进一步涉及用于诊断健康状况的高光谱成像系统。背景技术：1、荧光成像在生物医学和生物研究中向更复杂系统和几何形状的扩展应用可能需要可在广泛变化的时间和长度尺度上分析多种成分的工具。此类复杂成像实验中的主要挑战可为将具有重叠光谱的多个荧光标记彼此干净地分离以及与背景自发荧光干净地分离，而不干扰具有高水平光的样本。因此，需要一种能够定量地分离这些信号的高效且稳固的分析工具。2、近年来，已经优化了高含量成像方法以用于对生物过程的复杂且动态的编排进行解码。荧光以其高对比度、高特异性和多参数的特点，已成为用于成像的参考技术。荧光显微镜中的持续改进以及经基因编码和合成的荧光团的不断扩展的调色板已实现大量分子物质的标记和观测。此类荧光技术可提供使用多路复用成像在相同样品中同时跟随多个标记的可能性，但这些技术尚未达成其完全想像的能力。标准荧光显微镜可依序收集多个图像，采用用于每一标记的不同激励和检测带通滤波器。3、最近开发的荧光技术可通过利用固定样本的顺序标记而允许大规模多路复用，但不适合于体内成像。这些方法可能不适合于分离重叠荧光发射信号，并且窄带通滤光器用于增加选择性，降低成像的光子效率。(图7至8)这些局限性限制了每样本(通常至多4)的成像荧光团的数目以及使样品暴露于破坏性的激励光的风险。此类局限性一直是动态成像的重大阻碍，阻止体内和活体内成像充分发挥其潜力，对从发育生物学、癌症研究和免疫学到神经成像的研究/应用产生更广泛的影响。4、高光谱荧光成像(hfi)通过将信号检测扩展到光谱域中而潜在地克服重叠发射的局限性。hfi捕获来自每一(图像)像素的光谱轮廓，从而产生数据的高光谱立方体(x、y、波长)，所述数据可经过处理以推断存在于所述像素中的标记。线性解混(lu)已广泛地用以分析hfi数据，且在明亮样本中表现很好，所述明亮样本从完全表征的外部荧光团(例如荧光蛋白和染料)发射强信号。然而，体内荧光显微技术在按每像素收集的光子数目中几乎总是有限的(归因于表达水平、生物物理荧光性质以及检测系统的灵敏度)，这降低了所获取的光谱的质量。5、影响光谱质量的另一挑战是在样本的成像中存在多个形式的噪声。仪器噪声的两个实例可为光子噪声和读取噪声。6、光子噪声，也称为泊松(poisson)噪声，可为与来自源的光子发射和检测的统计变化相关的固有性质。泊松噪声在使荧光染料成像时可为不可避免的，且在低光子条件中更显著。此类噪声可造成挑战，尤其在实时和延时成像中，其中激励激光的功率减小以避免对样本的光损坏，从而减少荧光信号的量。7、读取噪声可由在从光子转换到数字电平强度期间以模拟模式操作的显微镜中的电压波动产生，且通常影响荧光成像获取。8、用于体内显微技术的大多数生物样本使用来自荧光蛋白或探针的外部信号进行标记，但通常包含固有信号(自发荧光)。自发荧光可产生不合需要的、难以在lu中识别和解释的光子。9、噪声的累积存在可能不可避免地导致在成像期间所获取光谱的降级。结果，lu的光谱分离通常可能会受损，且最终解混的信噪比(snr)通常由检测到的信号中的最弱信号降低。10、增加激光激励的量可部分地克服这些挑战，但样本中的较高能量沉积可引起光漂白和光损坏，从而影响实时样本的完整性和观测的持续时间两者。11、并且，传统的解混策略，例如lu，可能在计算上要求很高，需要较长分析时间且通常减缓询问。12、综合起来，上述潜在的损害和缺点降低了总体多路复用能力和hfi多路复用技术的采用。13、相关技术参考案14、以下公开案是用于本公开的背景的相关技术。在每一参考案之前的方括号中的一个数字或两个数字对应于在本公开的其它部分中使用的方括号中的数字。15、[1]valm,a.m.等人，“应用系统级光谱成像和分析以揭露细胞器相互作用组(applying systems-level spectral imaging and analysis to reveal the organelleinteractome)”。《自然(nature)》546，162-167(2017)。16、[2]tsurui,h.等人，“基于傅里叶光谱学和奇异值分解的组织样本七色荧光成像(seven-color fluorescence imaging of tissue samples based on fourierspectroscopy and singular value decomposition)”。《组织化学和细胞化学杂志(journal of histochemistry and cytochemistry)》48，653-662(2000)。17、[3]amat,f.等人，“根据大规模荧光显微技术数据准确重构细胞谱系(accuratereconstruction of cell lineages from large-scale fluorescence microscopydata)”。《自然方法(nature methods)》11，951-958(2014)。18、[4]ueno,t.&nagano,t.，“用于感测和成像的荧光探针(fluorescent probes forsensing and imaging)”。《自然方法(nature methods)》第8卷，642-645，预印本https://doi.org/10.1038/nmeth.1663(2011)。19、[5]lichtman,j.w.&conchello,j.a.，“荧光显微技术(fluorescencemicroscopy)”。《自然方法(nature methods)》第2卷，910-919，预印本https://doi.org/10.1038/nmeth817(2005)。20、[6]sinclair,m.b.、haaland,d.m.、timlin,j.a.&jones,h.d.t.，“高光谱共焦显微镜(hyperspectral confocal microscope)”。45，6283-6291(2006)。21、[7]jahr,w.、schmid,b.、schmied,c.、fahrbach,f.o.&huisken,j.，“高光谱光片显微技术(hyperspectral light sheet microscopy)”。《自然通讯(naturecommunications)》6，1-7(2015)。22、[8]truong,t.v、supatto,w.、koos,d.s.、choi,j.m.&fraser,s.e.，“使用双光子扫描光片显微技术进行深度快速实时成像(deep and fast live imaging with two-photon scanned light-sheet microscopy)”。8，(2011)。23、[9]chen,b.c.等人，“晶格光片显微技术：以高时空分辨率将分子成像到胚胎(lattice light-sheet microscopy:imaging molecules to embryos at highspatiotemporal resolution)”。《科学(science)》(1979)346，(2014)。24、[10]kredel,s.等人，“mruby，一种用于标记亚细胞结构的明亮单体红色荧光蛋白(mruby,a bright monomeric red fluorescent protein for labeling of subcellularstructures)”。《公共科学图书馆：综合(plos one)》4，1-7(2009)。25、[11]sakaue-sawano,a.等人，“可视化多细胞细胞周期进展的时空动态(visualizing spatiotemporal dynamics of multicellular cell-cycleprogression)”。《细胞(cell)》132，487-498(2008)。26、[12]wade,o.k.等人，“通过dna-paint闪烁动力学实现124色超分辨率成像(124-color super-resolution imaging by engineering dna-paint blinking kinetics)”。《纳米快报(nano letters)》19，2641-2646(2019)。27、[13]strauss,s.&jungmann,r.，“在优化的dna-paint中实现至多100倍的加速和多路复用(up to 100-fold speed-up and multiplexing in optimized dna-paint)”。《自然方法(nature methods)》17，789-791(2020)。28、[14]costa,g.等人，“不对称分裂协调血管生成中的集体细胞迁移(asymmetricdivision coordinates collective cell migration in angiogenesis)”。《自然·细胞生物学(nature cell biology)》18，1292-1301(2016)。29、[15]entenberg,d.等人，“用于多通道活体内荧光成像的双激光多光子显微镜的设置和使用(setup and use of a two-laser multiphoton microscope formultichannel intravital fluorescence imaging)”。《自然协议(nature protocols)》6，(2011)。30、[16]sakaguchi,r.、leiwe,m.n.&imai,t.，“用荧光蛋白和化学标签对神经元回路进行明亮的多色标记(bright multicolor labeling of neuronal circuits withfluorescent proteins and chemical tags)”。《电子生命(elife)》7，(2018)。31、[17]zimmermann,t.、rietdorf,j.&pepperkok,r.，“光谱成像及其在活细胞显微技术中的应用(spectral imaging and its applications in live cell microscopy)”。《欧洲生物化学学会联合会快报(febs letters)》546，87-92(2003)。32、[18]paddock,s.，“多光谱成像和线性解混增加全新维度(multi-spectralimaging and linear unmixing add a whole new dimension to)”。《生物技术(biotechniques)》31，1272-1278(2001)。33、[19]zimmermann,t.，“光学显微技术中的光谱成像和线性解混(spectralimaging and linear unmixing in light microscopy)”。《生物化学工程/生物技术进展(advances in biochemical engineering/biotechnology)》95，245-265(2005)。34、[20]garini,y.、young,i.t.&mcnamara,g.，“光谱成像：原理与应用(spectralimaging:principles and applications)”。《流式细胞仪a部分(cytometry part a)》第69卷，预印本ht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度、每一复值函数的实分量和/或虚分量、代表性强度谱的强度，和或其组合。举例来说，本公开的所述图像形成系统可具有将去噪滤波器应用于每一复值函数的所述实分量和/或所述虚分量上至少一次以便产生每一图像像素的去噪实值和去噪虚值的配置。举例来说，本公开的所述图像形成系统可具有将去噪滤波器应用于每一复值函数的所述实分量和所述虚分量两者上至少一次以便产生每一图像像素的去噪实值和去噪虚值的配置；其中在以下时间应用所述去噪滤波器：(1)在所述图像形成系统使用所述傅里叶变换将属于每一图像像素的所形成的强度谱变换为所述复值函数之后；和/或(2)在所述图像形成系统针对每一图像像素在所述相量平面上形成一个相量点之前；并且所述配置将所述去噪实值用作每一图像像素的所述实值且将每一图像像素的所述去噪虚值用作所述虚值，以针对每一图像像素在所述相量平面上形成一个相量点。举例来说，本公开的所述图像形成系统可具有进行以下操作的配置：在所述图像形成系统针对每一图像像素在所述相量平面上形成一个相量点之后将去噪滤波器应用于所述实分量的所述值和/或所述虚分量的所述值。11、本公开的所述图像形成系统可具有可聚集属于每一相量仓的所述图像像素的所述所检测光谱的另一配置，其中属于相同仓的所述图像像素的所述所检测光谱具有大体上相同的所检测强度和所检测波长。12、本公开的所述图像形成系统可具有可使用所述傅里叶变换的至少一个谐波来产生所述目标的所述代表性图像的另一配置。所述至少一个谐波可为一次谐波和/或二次谐波。此系统也可使用仅一个谐波。所述仅一个谐波可为一次谐波或二次谐波。此系统也可使用仅一次谐波和仅二次谐波。13、在本公开中，所述至少一个光学组件可进一步包含用以照射所述目标的至少一个照明源，其中所述照明源产生包括至少一个照明波的照明源辐射。此系统还可进一步包含至少一个照明源，其中所述照明源产生包括至少两个照明波的照明源辐射，并且其中每一照明波具有不同波长。14、在本公开中，所述图像形成系统可进一步包含控制系统、硬件处理器、存储器和显示器。15、在本公开中，所述图像形成系统可具有可在所述图像形成系统的显示器上显示所述目标的所述代表性图像的另一配置。16、在本公开中，所述图像形成系统可进一步包含控制系统、硬件处理器、存储器和信息传送系统；其中所述信息传送系统以任何方式向用户传送所述目标的所述代表性图像。所述信息传送系统可将所述目标的所述代表性图像作为图像、数值、颜色、声音、机械移动、信号或其组合传送给用户。17、在本公开中，所述至少一个光学组件可进一步包含光学透镜、滤光器、色散光学系统或其组合。18、在本公开中，所述所检测目标辐射可为荧光辐射。19、本文中公开一种高光谱成像系统，其用于产生目标的代表性图像。所述高光谱成像系统可包括图像形成系统。所述图像形成系统可被配置成获取所述目标的所检测辐射。所述图像形成系统可被配置成使用所检测目标辐射形成目标图像，其中所述目标图像包括至少两个图像像素，并且其中每一图像像素对应于所述目标上的一个物理点。所述图像形成系统可被配置成形成每一图像像素的至少一个强度谱。所述图像形成系统可被配置成基于每一图像像素的所述强度谱而变换每一图像像素的所述强度谱。所述图像形成系统可被配置成针对每一图像像素在相量平面上形成一个相量点。所述图像形成系统可被配置成形成包括至少两个相量仓的相量直方图，其中每一相量仓包括至少一个相量点。所述图像形成系统可被配置成聚集属于每一相量仓的所述图像像素的所检测光谱。所述图像形成系统可被配置成产生每一相量仓的代表性强度谱。所述图像形成系统可被配置成使用一种或多种解混技术对所述相量仓的代表性强度谱进行解混。所述图像形成系统可被配置成确定所述代表性强度谱中的光谱端元的丰度。所述图像形成系统可被配置成产生表示所述光谱端元的所述丰度的所述目标的代表性强度图像。20、本文中公开一种用于产生目标的代表性图像的方法。所述方法可包括形成目标图像的图像像素的至少一个强度谱，其中所述目标图像是基于所检测辐射。所述方法可包括实施高光谱相量系统。所述高光谱相量系统可被配置成针对每一图像像素在相量平面上形成一个相量点。所述高光谱相量系统可被配置成形成包括至少两个相量仓的相量直方图，其中每一相量仓包括至少一个相量点。所述高光谱相量系统可被配置成聚集所述至少两个相量仓的所述图像像素的所检测光谱。所述高光谱相量系统可被配置成产生所述至少两个相量仓的至少一个代表性强度谱。所述方法可进一步包括实施解混系统。所述解混系统可被配置成使用一种或多种解混技术对所述至少两个相量仓的所述至少一个代表性强度谱进行解混。所述方法可进一步包括基于至少所述代表性强度谱和对应于所述所检测辐射的所检测强度而产生所述目标的代表性强度图像。21、本文中公开一种用于产生目标的代表性图像的方法。所述方法可包括形成目标图像的图像像素的至少一个强度谱，其中所述目标图像是基于所检测辐射。所述方法可包括基于相量平面上对应于所述图像像素的相量点而产生至少一个代表性强度谱。所述方法可包括使用一种或多种线性解混技术对所述至少一个代表性强度谱进行解混。所述方法可包括基于至少解混的代表性强度谱而产生所述目标的代表性强度图像。22、以上特征/配置的任何组合在本公开的范畴内。23、通过对说明性实施方案的详细描述、附图和权利要求的查看，这些内容以及其它组件、步骤、特征、目标、益处和优点现将变得清楚。