開源平臺 | 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，結(jié)構(gòu)光照明顯微成像（SIM）成為細胞器動態(tài)觀測最有力的超分辨顯微技術(shù)。隨著SIM的發(fā)展，國內(nèi)外專家學者們一系列關(guān)于SIM的算法工作，如Open-SIM、fairSIM、Hessian-SIM、HiFi-SIM等，這些開源軟件也促進了一系列的硬件進展，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)域變得開放而充滿活力。2008年，Gustafsson課題組首次提出了3DSIM的概念，3DSIM相對于2DSIM有著縱向平面分辨率的兩倍提升，極大地消除了2DSIM中常見的離焦背景并獲得了全細胞成像的能力。但由于3DSIM的復雜性，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重。因此，一個開源且強大的3DSIM軟件急需被開發(fā)，以適應3DSIM日益增長的發(fā)展需求。

因此，未來技術(shù)學院席鵬教授課題組繼在提出開源2DSIM重建平臺Open-SIM后（IEEE JSTQE2018），開發(fā)了全新的開源3DSIM重建平臺——Open-3DSIM，這一工作近期發(fā)表在Nature Methods期刊。

與Open-SIM相比，Open-3DSIM建立在MATLAB，F(xiàn)iji以及Exe軟件平臺上，以供不同需求的用戶使用。它具有高保真、低偽影的優(yōu)勢，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。

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圖1. a，低信噪比、低調(diào)制度條件下通過±1級與±2級頻譜尖峰點進行協(xié)同參數(shù)估計。b，根據(jù)系統(tǒng)光學轉(zhuǎn)換函數(shù)與估計的參數(shù)設(shè)計的各類頻譜優(yōu)化濾波器。c，Open-3DSIM與寬場圖像（WF），單層3DSIM算法（HiFi-SIM）的對比以及基于Open-3DSIM的偶極子取向解析（pOpen）

為了提高3DSIM的重建效果，席鵬課題組首次提出了自適應參數(shù)估計方法，通過正負一級與正負二級頻率尖峰點進行協(xié)同參數(shù)估計，極大地提高了低信噪比、低調(diào)制度條件下3DSIM參數(shù)估計的準確性。同時設(shè)計了一系列頻域濾波操作進行偽影的抑制與弱細節(jié)的保留，包括設(shè)計陷波函數(shù)抑制六角偽影，設(shè)計一級濾波函數(shù)抑制旁瓣與振鈴偽影，設(shè)計二級濾波函數(shù)保留細節(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，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。