開源平臺 | 三維結(jié)構(gòu)光照明顯微成像重建算法

發(fā)布：cyqdesign 2023-08-12 23:20 閱讀：1003

由于快速、低光毒性、高染料兼容性的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)光照明顯微成像（SIM）成為細胞器動態(tài)觀測最有力的超分辨顯微技術(shù)。隨著SIM的發(fā)展，國內(nèi)外專家學(xué)者們一系列關(guān)于SIM的算法工作，如Open-SIM、fairSIM、Hessian-SIM、HiFi-SIM等，這些開源軟件也促進了一系列的硬件進展，如SLM-SIM、DMD-SIM，以及商業(yè)化的系統(tǒng)如Airy-SIM等，算法與硬件的結(jié)合使得SIM領(lǐng)域變得開放而充滿活力。2008年，Gustafsson課題組首次提出了3DSIM的概念，3DSIM相對于2DSIM有著縱向平面分辨率的兩倍提升，極大地消除了2DSIM中常見的離焦背景并獲得了全細胞成像的能力。但由于3DSIM的復(fù)雜性，3DSIM的發(fā)展總體而言落后于2DSIM，其算法要么存在于閉源的商用系統(tǒng)中，要么基于傳統(tǒng)的Weiner-3DSIM，用戶友好度較低且偽影較為嚴重。因此，一個開源且強大的3DSIM軟件急需被開發(fā)，以適應(yīng)3DSIM日益增長的發(fā)展需求。

因此，未來技術(shù)學(xué)院席鵬教授課題組繼在提出開源2DSIM重建平臺Open-SIM后（IEEE JSTQE2018），開發(fā)了全新的開源3DSIM重建平臺——Open-3DSIM，這一工作近期發(fā)表在Nature Methods期刊。

與Open-SIM相比，Open-3DSIM建立在MATLAB，F(xiàn)iji以及Exe軟件平臺上，以供不同需求的用戶使用。它具有高保真、低偽影的優(yōu)勢，在低信噪比條件下也有著很好的重建效果。此外，偏振偶極子成像的引入使得Open-3DSIM具有偏振成像的能力。

圖1. a，低信噪比、低調(diào)制度條件下通過±1級與±2級頻譜尖峰點進行協(xié)同參數(shù)估計。b，根據(jù)系統(tǒng)光學(xué)轉(zhuǎn)換函數(shù)與估計的參數(shù)設(shè)計的各類頻譜優(yōu)化濾波器。c，Open-3DSIM與寬場圖像（WF），單層3DSIM算法（HiFi-SIM）的對比以及基于Open-3DSIM的偶極子取向解析（pOpen）

為了提高3DSIM的重建效果，席鵬課題組首次提出了自適應(yīng)參數(shù)估計方法，通過正負一級與正負二級頻率尖峰點進行協(xié)同參數(shù)估計，極大地提高了低信噪比、低調(diào)制度條件下3DSIM參數(shù)估計的準確性。同時設(shè)計了一系列頻域濾波操作進行偽影的抑制與弱細節(jié)的保留，包括設(shè)計陷波函數(shù)抑制六角偽影，設(shè)計一級濾波函數(shù)抑制旁瓣與振鈴偽影，設(shè)計二級濾波函數(shù)保留細節(jié)信息并提高重建分辨率等。這些優(yōu)化在確保重建保真性的同時，極大地抑制了3DSIM重建的離焦背景與各類偽影，使得Open-3DSIM的重建效果全面優(yōu)于現(xiàn)有的各類重建算法（AO-3DSIM、4BSIM、SIMnoise等）與商用重建軟件（GE | OMX等）。尤其在極低信噪比條件下，Open-3DSIM和其他算法在低信噪比條件下的均方誤差（MAE）和信噪比（SNR）相近，這展示了Open-3DSIM在低信噪比情況下優(yōu)越的重建性能。

此外，席鵬課題組根據(jù)熒光對不同角度偏振光發(fā)射強度不同的原理，將熒光偏振取向信息引入3DSIM重建的后處理當中，使得在無需任何硬件改動的前提下即可獲取各類生物樣本的偶極子取向信息。如圖2所示，由于Open-3DSIM低偽影、高分辨率的優(yōu)勢，他們成功對Cos-7細胞進行了三色成像，并解析了線粒體嵴的三維結(jié)構(gòu)與其動態(tài)分離融合過程，獲得了5um小鼠腎切片微絲細胞器的三維偶極子取向信息。Open-3DSIM提供了橫向/縱向超分辨，多色，長時程以及偶極子取向的六維（XYZlθT）重建技術(shù)，為亞細胞器的多維動態(tài)成像提供了有利工具。

圖2. Open-3DSIM建立橫向/縱向超分辨、多色、動態(tài)、偏振的六維成像模態(tài)。a，重建多色Cos-7細胞樣本，b，解析Cos-7細胞三維線粒體的分裂、融合、凋亡，以及c, 獲得小鼠腎切片微絲結(jié)構(gòu)的熒光偶極子信息

Open-3DSIM并不局限于單一顯微鏡平臺，它廣泛適用于GE | OMX，Nikon | N-SIM等商用或各類自制的3DSIM系統(tǒng)。它與各種現(xiàn)有的基于正則/反卷積/機器學(xué)習的圖像優(yōu)化方法完全兼容，其優(yōu)越的性能、模塊化的設(shè)計、極高的用戶友好性為下一代3DSIM技術(shù)提供了堅實的軟件基礎(chǔ)。席鵬希望Open-3DSIM能夠成為國際3DSIM重建的標準，以促進多維活細胞超分辨成像技術(shù)的進一步發(fā)展。

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