蘇州醫工所在非線性SIM超分辨圖像重建算法研究取得進展

　　近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所顯微光學團隊在Optics Letters上發表了題為Frequency–spatial domain joint optimization for improving super-resolution images of nonlinear structured illumination microscopy的研究論文，并被選為Editor's Pick（編輯精選）文章。

　　結構光照明顯微鏡（Structured illumination microscopy, SIM）以其成像速度快、光毒性小、無需特殊熒光標記等優勢已成為生命科學領域尤其是活細胞成像中受歡迎的超分辨成像手段。典型的線性SIM（Linear SIM, L-SIM）可獲得普通寬場成像顯微鏡約2倍的分辨率提升，而非線性SIM（Nonlinear SIM, NL-SIM）通過引入非線性效應可在L-SIM的基礎上進一步拓展成像分辨率并已成功應用于活細胞成像。

　　然而，L-SIM和NL-SIM技術均依賴于復雜的后處理算法，其重建過程是一個易產生偽影的病態逆過程。重構偽影的存在導致L-SIM和NL-SIM成像的保真度和可靠性長期遭受質疑和批評。此前，蘇州醫工所顯微光學團隊開發出基于頻譜優化的高保真SIM算法HiFi-SIM 【Light: Science & Applications, 10, 70, (2021)】，有效解決了L-SIM超分辨圖像重建中的典型偽影。然而，與L-SIM圖像重建相比，NL-SIM圖像重建面臨更多挑戰：一方面，非線性階次諧波的調制深度無法通過常規的交叉關聯方法準確估計；另一方面，非線性階次諧波的低信噪比屬性造成重建過程中傳統去卷積算法不可避免地產生嚴重偽影，妨礙了NL-SIM成像解析的亞細胞器結構的可信度。

　　為此，蘇州醫工所顯微光學團隊的文剛、王林波等提出將HiFi-SIM的頻譜優化理念引入NL-SIM超分辨圖像重建，進一步發展出一種高保真非線性SIM重建算法HiFi-NL-SIM。HiFi-NL-SIM建立了基于去相關分析法的非線性諧波的優選調制深度確定準則，解決了上述參數估計難題；采用“頻域和空域聯合優化策略”進一步實施NL-SIM重建頻譜優化以抑制典型的偽影特征，實現了NL-SIM超分辨圖像的高保真重建。此外，HiFi-NL-SIM使用一個理論生成的近似點擴散函數（point spread function, PSF）即可重建出高質量NL-SIM超分辨圖像，避免了傳統算法需要嚴苛標定與實際成像條件匹配的點擴散函數的復雜工作，提高了NL-SIM成像技術的易用性和可訪問性。HiFi-NL-SIM算法作為簡單易用的MATLAB GUI軟件包，隨論文開源，免費下載試用。

　　研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項的支持。

　　論文鏈接：https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-46-23-5842

　　HiFi-NL-SIM軟件包下載鏈接：https://osapublishing.figshare.com/articles/software/MATLAB_code_for_HiFi-NL-SIM/16437945

蘇州醫工所在非線性SIM超分辨圖像重建算法研究中取得進展