開(kāi)源平臺(tái) | 三維結(jié)構(gòu)光照明顯微成像重建算法

由于快速、低光毒性、高染料兼容性的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)光照明顯微成像（SIM）成為細(xì)胞器動(dòng)態(tài)觀測(cè)最有力的超分辨顯微技術(shù)。隨著SIM的發(fā)展，國(guó)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(kāi)源軟件也促進(jìn)了一系列的硬件進(jìn)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(kāi)放而充滿活力。2008年，Gustafsson課題組首次提出了3DSIM的概念，3DSIM相對(duì)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(jiàn)的離焦背景并獲得了全細(xì)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(yán)重。因此，一個(gè)開(kāi)源且強(qiáng)大的3DSIM軟件急需被開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)3DSIM日益增長(zhǎng)的發(fā)展需求。 ]! )xr  
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因此，未來(lái)技術(shù)學(xué)院席鵬教授課題組繼在提出開(kāi)源2DSIM重建平臺(tái)Open-SIM后（IEEE JSTQE2018），開(kāi)發(fā)了全新的開(kāi)源3DSIM重建平臺(tái)——Open-3DSIM，這一工作近期發(fā)表在Nature Methods期刊。 U|?,N0%Z1  
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與Open-SIM相比，Open-3DSIM建立在MATLAB，F(xiàn)iji以及Exe軟件平臺(tái)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(shì)，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。 "@)lH  
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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(jì)方法，通過(guò)正負(fù)一級(jí)與正負(fù)二級(jí)頻率尖峰點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同參數(shù)估計(jì)，極大地提高了低信噪比、低調(diào)制度條件下3DSIM參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。同時(shí)設(shè)計(jì)了一系列頻域?yàn)V波操作進(jìn)行偽影的抑制與弱細(xì)節(jié)的保留，包括設(shè)計(jì)陷波函數(shù)抑制六角偽影，設(shè)計(jì)一級(jí)濾波函數(shù)抑制旁瓣與振鈴偽影，設(shè)計(jì)二級(jí)濾波函數(shù)保留細(xì)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(shí)，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。 ls @5^g  
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此外，席鵬課題組根據(jù)熒光對(duì)不同角度偏振光發(fā)射強(qiáng)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(dāng)中，使得在無(wú)需任何硬件改動(dòng)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(shì)，他們成功對(duì)Cos-7細(xì)胞進(jìn)行了三色成像，并解析了線粒體嵴的三維結(jié)構(gòu)與其動(dòng)態(tài)分離融合過(guò)程，獲得了5um小鼠腎切片微絲細(xì)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(zhǎng)時(shí)程以及偶極子取向的六維（XYZlθT）重建技術(shù)，為亞細(xì)胞器的多維動(dòng)態(tài)成像提供了有利工具。 xiCN