超分辨定位成像中的快速数据处理方法研究.pdf

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1、分类号学号D201077371学校代码10487密级博士学位论文超分辨定位成像中的快速数据处理方法研究学位申请人：马洪强学科专业：生物医学工程指导教师：黄振立教授答辩日期：2014.5.9 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringFastdataprocessingmethodsforsuperresolutionlocalizationmicroscopyPh.D.Candidate:MaHongqiang

2、Major:BiomedicalEngineering:Prof.HuangZhenliSupervisorHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2014 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论

3、文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华中科技大学博士学位论文摘要超分辨定位成像技术可实现高达20nm的空间分辨率，可以从分子水平研究细胞内的复杂工作机制，已经逐渐成为生命科学研究领域里必不可

4、少的研究工具，但其缺点是成像速度较慢（通常是分钟量级）。因此，近年来人们致力于研究快速成像探测技术以及高密度分子定位技术，希望在不牺牲成像视场和空间分辨率的条件下，提高超分辨定位成像的时间分辨率。但是，快速成像探测技术会产生巨大的数据流和海量的数据，对数据传输、数据存储以及数据分析都形成了很大的挑战。同时，高密度分子定位技术需要使用复杂的分析模型，极大地加重了数据分析的负担。本文将针对以上问题，从高效的数据处理算法和先进的计算架构两条途径着手解决超分辨定位成像中的快速数据处理问题。主要工作包括：（1）快速稀疏分子定位方法。利用光学成像系统点扩散函数的辐射对称性，开发了快速、

5、高精度的稀疏分子定位算法MrSE。仿真和实验结果表明，MrSE算法的定位精度可以接近理论极限，而定位速度比传统高精度算法快1000多倍。通过优化基于MrSE算法的数据分析流程，并结合GPU并行处理架构，实现了整个数据分析过程的GPU并行化处理，使数据处理速度提高到650Mpix/s，满足了快速探测对数据实时处理的需求。（2）高效数据削减方法。利用超分辨定位成像中分子的稀疏性，开发了一种高效的数据削减算法。仿真和实验结果表明，在常规的稀疏分子定位成像中，此算法可以在不影响超分辨重建质量的同时，将数据量削减约20倍。进一步将此算法与探测器中的FPGA嵌入式计算平台相结合，实现了

6、高达532Mpix/s的嵌入式数据削减，显著降低了快速探测带来的数据传输和数据存储的压力。（3）快速高密度分子定位方法。通过对高密度分子图像进行去重叠，开发了可以对重叠分子进行精确定位的快速高密度定位算法。仿真和实验结果表明，该算法可以显著提高超分辨定位成像技术的空间分辨率与时间分辨率，其效果与传统高密度分子定位算法DAOSTORM相近，但算法复杂度却降低了两个数量级。基于此算法，进一步开发了专用的硬件处理器POWERs。POWERs可以独立完成数据处理任I 华中科技大学博士学位论文务，缓解了计算机系统的压力。其数据处理速度可达200Mpix/s，满足了常规高密度分子定位成

7、像对数据在线处理的需求。本文利用超分辨定位成像技术所具有的特征，发展了一系列高效的数据处理方法，通过进一步结合先进的计算架构，解决了超分辨定位成像中的快速数据分析、数据传输以及数据存储的问题，对快速成像探测以及高密度分子定位技术的应用与推广具有积极意义。关键词：超分辨定位成像；荧光分子定位；数据削减；GPU并行处理；FPGA流水线处理II 华中科技大学博士学位论文AbstractSuper-resolutionlocalizationmicroscopy(LM)achievesahighspatialresolut