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荧光显微镜属于衍射受限系统,成像时受系统带宽影响,截止频率外的频谱丢失,采集的图像存在分辨率极限:当两个荧光基团之间的距离小于分辨率极限时,其像点将融合为一个。结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)是近20年来逐步发展起来的超分辨荧光显微镜,能够摆脱传统荧光显微镜衍射极限的桎梏,横向分辨率提升到一百纳米以内,具有光子效率高等优势,有望取代广泛使用的共聚焦显微镜。然而,现有的SIM显微镜时间分辨率较低、连续成像帧数较少。虽然可以通过降低激发光强度、缩短曝光时间等方式解决,但这又会带来SIM显微镜原始图像信噪比下降、参数的计算误差变大、重建图像中伪影增多等问题。
针对这些问题,论文提出了海森结构光照明荧光显微镜(Hessian SIM)重建算法,可对低激光强度激发、短曝光时间采集的低信噪比SIM图像进行重建。通过预平均、纯相位参数估计,HessianSIM重建算法能够鲁棒、准确地计算出低信噪比原始图像中的结构光参数;利用基于时空的海森正则项,HessianSIM算法能有效抑制由噪声导致的重建伪影。相比于传统的SIM显微镜,基于HessianSIM算法的SIM显微镜能有效减少重建图像中由参数误差和噪声导致的伪影;其时间分辨率更高,达到188赫兹,连续成像帧数更长,达到6800帧,非常适用于活细胞的超分辨率成像。
论文进一步深入分析了SIM显微镜重建图像中产生伪影的各种原因,总结了相应的解决方法,并将这些方法融入到传统的SIM重建过程中,提出了优化的SIM重建过程,在用于处理SIM显微镜不同成像条件下拍摄的活细胞中的肌动蛋白原始数据时,都能进行高质量的重建。
为了观察玻片上方几百纳米范围内的细胞膜附近的三维结构,论文基于全内反射荧光显微镜(Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy,TIRF)的多角度成像原理,提出了一种结合反卷积的多角度TIRF显微成像模型和重建算法。通过在多角度TIRF显微镜的成像模型中考虑点扩散函数,并结合重建过程中的反卷积步骤,最终重建出玻片上方几百纳米深度范围内清晰的三维荧光信号,达到50纳米轴向分辨率的同时,将横向分辨率提升到200纳米。
为了进一步看清细胞膜上小于200纳米的三维精细结构,论文提出了多角度结构光照明的三维全内反射荧光显微成像模型和重建算法。通过在多角度TIRF显微镜成像时,以结构光进行照明,实现超分辨率频谱的采集;同时,论文根据精确的物理成像模型提出了相应的三维重建算法,通过该算法能够更清晰地重建出玻片上方几百纳米范围内细胞膜附近荧光信号的三维空间分布,达到50纳米轴向分辨率的同时,将横向分辨率提升到100纳米。
针对这些问题,论文提出了海森结构光照明荧光显微镜(Hessian SIM)重建算法,可对低激光强度激发、短曝光时间采集的低信噪比SIM图像进行重建。通过预平均、纯相位参数估计,HessianSIM重建算法能够鲁棒、准确地计算出低信噪比原始图像中的结构光参数;利用基于时空的海森正则项,HessianSIM算法能有效抑制由噪声导致的重建伪影。相比于传统的SIM显微镜,基于HessianSIM算法的SIM显微镜能有效减少重建图像中由参数误差和噪声导致的伪影;其时间分辨率更高,达到188赫兹,连续成像帧数更长,达到6800帧,非常适用于活细胞的超分辨率成像。
论文进一步深入分析了SIM显微镜重建图像中产生伪影的各种原因,总结了相应的解决方法,并将这些方法融入到传统的SIM重建过程中,提出了优化的SIM重建过程,在用于处理SIM显微镜不同成像条件下拍摄的活细胞中的肌动蛋白原始数据时,都能进行高质量的重建。
为了观察玻片上方几百纳米范围内的细胞膜附近的三维结构,论文基于全内反射荧光显微镜(Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy,TIRF)的多角度成像原理,提出了一种结合反卷积的多角度TIRF显微成像模型和重建算法。通过在多角度TIRF显微镜的成像模型中考虑点扩散函数,并结合重建过程中的反卷积步骤,最终重建出玻片上方几百纳米深度范围内清晰的三维荧光信号,达到50纳米轴向分辨率的同时,将横向分辨率提升到200纳米。
为了进一步看清细胞膜上小于200纳米的三维精细结构,论文提出了多角度结构光照明的三维全内反射荧光显微成像模型和重建算法。通过在多角度TIRF显微镜成像时,以结构光进行照明,实现超分辨率频谱的采集;同时,论文根据精确的物理成像模型提出了相应的三维重建算法,通过该算法能够更清晰地重建出玻片上方几百纳米范围内细胞膜附近荧光信号的三维空间分布,达到50纳米轴向分辨率的同时,将横向分辨率提升到100纳米。