【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡(SIM)以成像速度快、無需特殊熒光標(biāo)記和光毒性小等優(yōu)勢，被視為當(dāng)前最適合活細(xì)胞成像的超分辨(SR)技術(shù)。經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展，SIM在成像理論和應(yīng)用研究方面都取得了長足進(jìn)步，但依然有許多普遍存在的棘手問題亟待解決和完善。
中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所李輝團(tuán)隊(duì)著眼于解決SIM在實(shí)際生物成像應(yīng)用中的短板，致力于打造“user acknowledgeable”的SIM成像技術(shù)和儀器裝備，最近在避免結(jié)構(gòu)光參數(shù)估計(jì)、深度學(xué)習(xí)圖像重構(gòu)、升級(jí)寬場顯微鏡系統(tǒng)的模塊化SIM解決方案等方面取得系列重要進(jìn)展。
長期以來，大多數(shù)SIM算法直接或間接遵循標(biāo)準(zhǔn)的Wiener-SIM架構(gòu)或依賴于其重建結(jié)果。Wiener-SIM重建涉及耗時(shí)的照明條紋參數(shù)估計(jì)和偽影敏感的頻域去卷積。此前，李輝團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于“頻譜優(yōu)化”理念的高保真SIM重建技術(shù)HiFi-SIM并發(fā)表于Light: Science & Applications, 10, 70, (2021)，有效克服了SIM圖像中的典型偽影，但HiFi-SIM仍依賴于結(jié)構(gòu)光條紋參數(shù)的精確估計(jì)。然而，條紋參數(shù)很小的偏差就會(huì)導(dǎo)致Wiener-based SIM算法產(chǎn)生明顯偽影，實(shí)踐中現(xiàn)有的參數(shù)估計(jì)方法在很多成像場景中經(jīng)常難以估計(jì)出可靠的條紋參數(shù)。更關(guān)鍵地，Wiener-SIM重建假設(shè)條紋參數(shù)在成像視場內(nèi)均勻分布，但采集圖像的條紋參數(shù)不僅依賴于條紋質(zhì)量還受樣本特性影響，因此難以保證全視場中的均一性。
針對(duì)上述問題，李輝團(tuán)隊(duì)的文剛等開發(fā)了一種無需估計(jì)結(jié)構(gòu)光條紋參數(shù)的直接重建SIM算法，direct-SIM (direct reconstruction SIM algorithm)。該方法采用空域直接重建與頻域頻譜優(yōu)化相結(jié)合的聯(lián)合重建策略，避免了耗時(shí)且麻煩的條紋參數(shù)估計(jì)，同時(shí)采用新型頻譜優(yōu)化策略繞過了偽影敏感的頻域Wiener濾波去卷積(圖1a)。得益于其局域獨(dú)立重建的特性，direct-SIM對(duì)于包含多組不同條紋的場景依然能夠重建高質(zhì)量SR圖像(圖1b)。該研究成果以“Spectrum-optimized direct image reconstruction of super-resolution structured illumination microscopy”為題發(fā)表于PhotoniX 期刊(中科院1區(qū)Top，IF16.5)，其中，文剛副研究員為第一作者，唐玉國研究員和李輝研究員為通信作者。
相比于上述基于物理模型的SIM算法，深度學(xué)習(xí)近年來被廣泛用于SIM超分辨圖像重建來減少樣本光漂白和光毒性。然而，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)算法用于預(yù)測未經(jīng)訓(xùn)練的生物結(jié)構(gòu)的可靠性仍飽受質(zhì)疑。當(dāng)前，基于深度學(xué)習(xí)的SIM算法需要對(duì)不同生物樣本單獨(dú)訓(xùn)練以達(dá)到理想的預(yù)測性能，但仍難以可靠地應(yīng)用于未訓(xùn)練結(jié)構(gòu)的觀察。
為此，李輝團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了一種基于關(guān)鍵幀輔助的動(dòng)態(tài)SIM成像方程，命名為KFA-RET：在動(dòng)態(tài)成像過程中，第1幀SR圖像由成像初始采集的完整原始圖像通過傳統(tǒng)SIM重建算法重建，該高保真SR圖像被作為關(guān)鍵幀參與后續(xù)重建；隨后通過基于深度學(xué)習(xí)的重構(gòu)算法KFA-RET實(shí)現(xiàn)寬場圖像的SR重建。KFA-RET以關(guān)鍵幀結(jié)構(gòu)作為參照并結(jié)合生物結(jié)構(gòu)的時(shí)間連續(xù)性，極大地提高了重建SR圖像的質(zhì)量，同時(shí)有效地減少了光漂白和光毒性。此外，KFA-RET對(duì)網(wǎng)絡(luò)未訓(xùn)練過的新生物樣本結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的遷移能力。該研究成果以“Keyframe-aided resolution enhancement network for dynamic super-resolution structured illumination microscopy”為題發(fā)表于Optics Letters，其中博士研究生唐于珺為論文第一作者，李輝研究員為通信作者。
為了適應(yīng)更多不同用戶對(duì)SIM成像儀器配置的要求，李輝團(tuán)隊(duì)在之前開發(fā)安裝于顯微側(cè)邊的結(jié)構(gòu)光照明插件(HiFi-SIM-C)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了安裝于顯微鏡后口的結(jié)構(gòu)光照明模塊HiFi-SIM-B。可安裝于多款國產(chǎn)和進(jìn)口的倒置熒光顯微鏡，并且與常規(guī)的寬場熒光照明器兼容，具有體積小、穩(wěn)定性高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)室原有熒光顯微鏡進(jìn)行高性價(jià)比的超分辨升級(jí)改造提供了更多選擇。目前，搭載在國產(chǎn)舜宇I(lǐng)RX60倒置熒光顯微鏡的HiFi-SIM-B樣機(jī)在2023年細(xì)胞生物學(xué)大會(huì)展，獲得廣泛關(guān)注。搭載在奧林帕斯IX73手動(dòng)倒置熒光顯微鏡的HiFi-SIM-B樣機(jī)也于近期交付中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)院使用。
圖3 (a)兼容熒光照明器的顯微鏡后口結(jié)構(gòu)光照明模塊HiFi-SIM-B; (b)搭載在國產(chǎn)舜宇顯微鏡的HiFi-SIM-B在2023年中國細(xì)胞生物學(xué)第十八次學(xué)術(shù)大會(huì)(蘇州)上展出; (c)搭載在奧林巴斯IX73顯微鏡上的HiFi-SIM-B在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)裝機(jī)現(xiàn)場及成像效果圖。
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