【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院陳錢、左超教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于主成分分析的三維結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法(PCA-3DSIM)。相關(guān)研究成果以“Principal component analysis for three-dimensional structured illumination microscopy (PCA-3DSIM)”為題發(fā)表于國(guó)際頂尖光學(xué)期刊Light: Science & Applications。電光學(xué)院博士后錢佳銘和研究生夏薇宜為本文共同第一作者，我校為第一完成單位和通訊單位(文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01979-8)。
三維結(jié)構(gòu)光照明顯微成像技術(shù)(3D-SIM)能夠?qū)崿F(xiàn)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的三維可視化與納米級(jí)分辨率重建，在生命科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。然而，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用會(huì)受到光學(xué)像差、熒光密度異質(zhì)性等因素的影響，導(dǎo)致照明參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)確，從而影響圖像重建質(zhì)量。該研究團(tuán)隊(duì)此前提出了基于主成分分析的結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法(PCA-SIM)，有效提升了二維成像中照明參數(shù)估計(jì)的精度與魯棒性(文章鏈接：https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-022-00035-x)。該成果發(fā)表在eLight期刊，入選ESI高被引論文，并被評(píng)為“2023年中國(guó)光學(xué)十大社會(huì)影響力事件”。然而，將該方法推廣至3D-SIM，需應(yīng)對(duì)更高維度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及體積空間內(nèi)照明參數(shù)變化帶來的額外復(fù)雜性。
研究團(tuán)隊(duì)在PCA-SIM的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)光照明模型的張量(Tensor)分析方法。在3D-SIM中，照明相量可表征為一個(gè)三階張量。研究發(fā)現(xiàn)，在理想無干擾條件下，該照明張量在任意模態(tài)下的Tucker秩均為1。換言之，理想照明張量?jī)H由一個(gè)“外積因子”構(gòu)成，各模態(tài)展開矩陣的列空間僅包含一個(gè)“主成分”；而實(shí)際成像中，噪聲、像差等干擾因素則表現(xiàn)為不規(guī)則的高維分量。值得注意的是，消除這些高維干擾分量以提取由照明參數(shù)主導(dǎo)的外積因子/主成分，恰好與PCA(這里指高階PCA)的核心思想高度契合。基于此，研究人員利用PCA的降維特性與特征解耦能力，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的照明張量進(jìn)行Tucker分解并提取各模態(tài)下的第一主成分，從而準(zhǔn)確還原出結(jié)構(gòu)化光場(chǎng)的亞像素級(jí)波矢量與初相位。此外，針對(duì)照明參數(shù)空間非均勻性問題，研究人員提出了一種自適應(yīng)局部分塊重建策略，通過對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行基于PCA的參數(shù)獨(dú)立優(yōu)化，進(jìn)一步提升了3D-SIM的圖像重建質(zhì)量(圖1)。
圖1 PCA-3DSIM的原理示意圖。a-d自適應(yīng)分塊重建策略示意圖；e-hPCA-3DSIM的重建算法步驟
為評(píng)估PCA-3DSIM在復(fù)雜成像條件下的穩(wěn)健性，研究人員通過在理想三維結(jié)構(gòu)光照明場(chǎng)中引入逐像素波矢偏移及層間軸向位移，以模擬實(shí)際成像過程中的空間照明參數(shù)擾動(dòng)(圖2a-2c)。在此基礎(chǔ)上，分別采用PCA-3DSIM與先進(jìn)的開源重建框架Open-3DSIM進(jìn)行重建對(duì)比。仿真結(jié)果顯示，PCA-3DSIM能夠準(zhǔn)確提取局部照明主成分，顯著抑制偽影產(chǎn)生，重建圖像在空間分辨率與結(jié)構(gòu)保真度方面更接近于理想?yún)⒖紙D(圖2d-2j)。
圖2 照明參數(shù)隨體積空間變化情況下的仿真對(duì)比結(jié)果。a, b仿真的三維結(jié)構(gòu)光照明場(chǎng)；c沿圖b中藍(lán)色虛線處的強(qiáng)度剖面圖；d-g不同方法(Open-3DSIM和PCA-3DSIM)獲得的寬場(chǎng)圖像與超分辨圖像；h沿圖e-g中藍(lán)線處的強(qiáng)度剖面圖；i, j不同方法所得超分辨圖像與真實(shí)圖像間的結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(SSIM)與峰值信噪比(PSNR)
隨后，研究人員進(jìn)一步驗(yàn)證了PCA-3DSIM在自研系統(tǒng)中的適用性。針對(duì)該系統(tǒng)固有的照明參數(shù)波動(dòng)及系統(tǒng)誤差問題，PCA-3DSIM實(shí)現(xiàn)了相較于對(duì)比方法更高的空間分辨率及更優(yōu)的光切片能力(圖3a-3e)。定量分析表明，PCA-3DSIM獲得的橫向和軸向平均分辨率分別達(dá)到95.83 nm和296.95 nm，優(yōu)于對(duì)比方法所獲得的98.22 nm與298.04 nm，驗(yàn)證了其在低穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中的魯棒性和成像精度優(yōu)勢(shì)(圖3f-3h)。此外，研究人員進(jìn)一步在商業(yè)化Nikon N-SIM平臺(tái)上對(duì)PCA-3DSIM進(jìn)行了擴(kuò)展驗(yàn)證(圖4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PCA-3DSIM仍展現(xiàn)出穩(wěn)定的重建性能，證明了其良好的系統(tǒng)兼容性與實(shí)際應(yīng)用潛力。
圖3 在自研系統(tǒng)下對(duì)HeLa細(xì)胞樣本進(jìn)行的超分辨成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)。a-e寬場(chǎng)圖像與不同方法獲得的超分辨圖像；f圖c-e中沿黃色線的強(qiáng)度剖面圖；g特定層超分辨圖像的PANEL評(píng)估對(duì)比圖；h不同方法獲得的三維超分辨圖像堆棧的PANEL值與rFRC值分布對(duì)比
圖4在Nikon N-SIM平臺(tái)下對(duì)COS-7細(xì)胞樣本進(jìn)行的超分辨成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)。a-d寬場(chǎng)圖像與不同方法獲得的超分辨圖像；e圖b-d中沿藍(lán)色線的強(qiáng)度剖面圖；f特定層中沿x方向分塊圖像的橫向波矢分布，以及某一橫向位置在不同層中的波矢分布；g特定層超分辨圖像的rFRC圖及三維圖像堆棧的rFRC值分布、平均分辨率分布與對(duì)比度分布；h PCA-3DSIM獲得的不同層超分辨圖像切片及其整體三維視圖
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、基金委聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的支持。
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