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基于多层聚焦的三维结构光照明显微成像模型与重建算法研究

批准号:
62103071
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
范骏超
依托单位:
学科分类:
生物、医学信息系统与技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
范骏超

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
细胞是生命的基本单元。细胞内有众多细胞器,其结构和功能的紊乱会导致各种疾病。结构光照明荧光显微镜利用摩尔条纹效应实现了三维超分辨率成像,能观察到更清晰的细胞器。但三维超分辨率成像需要采集更多的原始图像和光子数,其空间分辨率的提升是以牺牲时间分辨率和光子利用率为代价的。在荧光总光子数有限的前提下,光子利用率降低是导致成像总时程变短的重要原因。所以现阶段的三维结构光照明显微镜仍存在时间分辨率低、成像总时程短及重建伪影多等问题,很难适用于活细胞快速、长时程成像。本项目拟构建多层聚焦三维结构光照明成像模型,配合光学系统,能提高成像的时间分辨率;同时基于成像模型和先验信息,提出了预平均纯相位参数估计方法和时空连续性正则的迭代重建算法,允许三维结构光照明显微镜采集的原始图像光子数减少、信噪比降低时,仍能准确估计出照明光参数并抑制重建图像中的伪影,最终在活细胞上实现快速、长时程三维超分辨成像。
英文摘要
Cells are the basic unit of life and contain numerous organelles. The disruption of organelles’ structure and function will lead to many diseases. Three-dimensional structured illumination fluorescence microscopy (3D-SIM) improves the resolution with Moire fringe and can observe clearer organelle in living cells. However, the 3D-SIM requires more raw images and a higher photon count to reconstruct one volume of three-dimensional super-resolution images, leading to a low temporal resolution and photon efficiency. Under the condition that the fluorescence photon is limited, the reduced photon efficiency is an important reason for the short imaging duration. Therefore, the state-of-the-art 3D-SIM cannot achieve the high temporal resolution, long-term imaging duration and artifacts-free reconstruction in super-resolution imaging of living cells. In this project, a multiplane 3D-SIM was proposed to achieve a higher temporal resolution. Meanwhile, a pre-averaged and amplitude-normalized parameter estimation algorithm was proposed to derive the parameters of structured patterns from the low signal-to-noise ratio raw images. Besides, a regularization reconstruction algorithm based on spatiotemporal continuity was proposed to suppress the artifacts in the reconstructed three-dimensional super-resolution images. The above improvements can allow 3D-SIM to be used for fast, long-term, three-dimensional super-resolution imaging of living cells.
传统荧光显微镜受制于衍射极限,横向分辨率最高只有200纳米。超分辨率荧光显微镜的发明,将空间分辨率提升到数十纳米,使生物学家能够实时观察活细胞内的动态过程。目前,超分辨率显微镜在二维成像时的时间分辨率和成像总时程的问题已经取得了较大突破。然而,三维超分辨率荧光显微镜仍然其存在时间分辨率低等缺点。本项目总体上构建了一种基于多焦面的三维结构光照明显微成像模型及其重建算法。首先,本项目发展的多焦面三维结构光照明显微成像系统(MP-3D-SIM)能够在照明光进行单次激发后,同时收集不同深度的荧光信号,节省了传统结构光照明显微镜在三维成像时多次曝光和电动载物台的移动时间,在横向和轴向同时实现两倍的超分辨率,实现了11Hz的活细胞三维超分辨率成像;其次,本项目根据成像前向过程,提出了BF-SIM背景抑制算法。通过用焦内信号卷积焦外点扩散函数,实现了对焦外背景荧光的近似模拟,实现了离焦背景的去除。BF-SIM算法可以去除背景的同时而不影响真实信号,对比度提升了约60%;最后,基于荧光信号的连续性先验信息,本项目设计了先验正则约束的超分辨率重建算法和通道注意力重建网络,能进一步降低重建超分辨图像中的伪影,重建保真度提升了38%,并已用于三维亚细胞结构观测等生物医学课题的研究。
基于结构光照明的超分辨率结构和功能同步高保真重建方法研究
  • 批准号:
    62576055
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50.00万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    范骏超
  • 依托单位:
三维超分辨率结构光照明荧光显微镜的重建算法研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    范骏超
  • 依托单位:
国内基金
海外基金