作者单位
摘要
1 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080
2 北京大学未来技术学院,北京 100871
超分辨荧光显微镜突破了光学衍射极限造成的空间分辨率限制,使得生物学家能够在生命体和细胞具有活性的状态下,对其功能与结构进行高精度动态记录,有望揭示更多重要的生命现象细节。然而,由于超分辨荧光显微技术的成像视场、深度、分辨率、速度等不易兼得,所以解卷积作为一种最有效且直接的求解逆问题的框架,被广泛应用于增强超分辨显微镜的时空分辨率。研究人员聚焦于通过相应算法设计实现高质量显微图像的重建,在一定程度上克服了超分辨荧光显微镜的硬件限制,可以更好地恢复生物信息。本文首先介绍了解卷积方法的基本原理及其发展历程,接着列举了不同解卷积技术在不同模态下的重建原理和效果以及这些技术在生物学上的应用,最后总结了基于深度学习的解卷积方法在超分辨荧光显微镜技术上的最新进展和未来的发展潜力,并对包括傅里叶环相关的定量评估图像重建质量的方法的最新进展进行了阐述。
显微 解卷积 超分辨显微镜 活细胞成像 计算成像 荧光显微镜 
中国激光
2024, 51(1): 0107002
Author Affiliations
Abstract
1 Peking University, Institute of Molecular Medicine, College of Future Technology, Center for Life Sciences, State Key Laboratory of Membrane Biology, Beijing Key Laboratory of Cardiometabolic Molecular Medicine, Beijing, China
2 Peking University, School of Software and Microelectronics, Beijing, China
3 Chongqing University of Posts and Telecommunications, College of Computer Science and Technology, Chongqing Key Laboratory of Image Cognition, Chongqing, China
4 Peking University, Biomedical Engineering Department, Beijing, China
5 Peking University, International Cancer Institute, Beijing, China
6 PKU-IDG/McGovern Institute for Brain Research, Beijing, China
7 Beijing Academy of Artificial Intelligence, Beijing, China
8 National Biomedical Imaging Center, Beijing, China

Structured illumination microscopy (SIM) has been widely used in live-cell superresolution (SR) imaging. However, conventional physical model-based SIM SR reconstruction algorithms are prone to artifacts in handling raw images with low signal-to-noise ratios (SNRs). Deep-learning (DL)-based methods can address this challenge but may lead to degradation and hallucinations. By combining the physical inversion model with a total deep variation (TDV) regularization, we propose a hybrid restoration method (TDV-SIM) that outperforms conventional or DL methods in suppressing artifacts and hallucinations while maintaining resolutions. We demonstrate the performance superiority of TDV-SIM in restoring actin filaments, endoplasmic reticulum, and mitochondrial cristae from extremely low SNR raw images. Thus TDV-SIM represents the ideal method for prolonged live-cell SR imaging with minimal exposure and photodamage. Overall, TDV-SIM proves the power of integrating model-based reconstruction methods with DL ones, possibly leading to the rapid exploration of similar strategies in high-fidelity reconstructions of other microscopy methods.

structured illumination microscopy superresolution reconstruction deep learning 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(1): 016012
Zhe Zhang 1†Dongzhou Gou 2†Fan Feng 3Ruyi Zheng 2[ ... ]Heng Mao 1,5,7,*
Author Affiliations
Abstract
1 LMAM, School of Mathematical Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
2 State Key Laboratory of Membrane Biology, Beijing Key Laboratory of Cardiometabolic Molecular Medicine, Institute of Molecular Medicine, Peking University, Beijing 100871, China
3 Center for Bioinformatics, National Laboratory of Protein Engineering and Plant Genetic Engineering, School of Life Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
4 School of Software and Microelectronics, Peking University, Beijing 100871, China
5 Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Theory and Technology, Capital Normal University, Beijing 100871, China
6 e-mail: lychen@pku.edu.cn
7 e-mail: heng.mao@pku.edu.cn
Due to its ability of optical sectioning and low phototoxicity, z-stacking light-sheet microscopy has been the tool of choice for in vivo imaging of the zebrafish brain. To image the zebrafish brain with a large field of view, the thickness of the Gaussian beam inevitably becomes several times greater than the system depth of field (DOF), where the fluorescence distributions outside the DOF will also be collected, blurring the image. In this paper, we propose a 3D deblurring method, aiming to redistribute the measured intensity of each pixel in a light-sheet image to in situ voxels by 3D deconvolution. By introducing a Hessian regularization term to maintain the continuity of the neuron distribution and using a modified stripe-removal algorithm, the reconstructed z-stack images exhibit high contrast and a high signal-to-noise ratio. These performance characteristics can facilitate subsequent processing, such as 3D neuron registration, segmentation, and recognition.
Photonics Research
2020, 8(6): 06001011
光片荧光显微成像下载:1796次
作者单位
摘要
北京大学分子医学研究所膜生物学国家重点实验室, 北京 100871
在过去的20年, 激光扫描共聚焦显微镜一直是在细胞水平和亚细胞水平上观察生命活动的标准工具, 但是基于针孔的共聚焦显微镜的光学层切是以牺牲焦平面以外的被激发的荧光色团和较大的光毒性为代价的。作为一种新型的荧光显微镜, 光片荧光显微镜采用侧向照明的方式, 对样品直接进行面成像。相对于点扫描的成像方式, 光片显微镜成像速度远远高于激光扫描共聚焦显微镜, 使得研究一些高速的精细生命活动过程成为了可能。光片荧光显微镜的另外一个优点是只有光片处的样品才会被激发, 处于光片以外的样品则不会被激发, 因此光毒性较小, 使得人们能够在更长的时间尺度下观察样品。正是由于光片荧光显微镜特殊的照明和成像方式, 才使其在大样本的三维高速成像中起到不可替代的作用。本文简要回顾了光片荧光显微镜发展的历史及研究现状, 旨在为该领域的科研人员对光片荧光显微镜的现状及未来发展方向提供个人理解。
显微 荧光成像 光片照明 显微成像 光毒性 
光学学报
2017, 37(3): 0318007
作者单位
摘要
1 北京大学 数学科学学院, 北京 100871
2 北京大学 生命科学学院, 北京 100871
3 北京大学 分子医学所, 北京 100871
荧光显微成像技术是开展微观生命科学研究的重要手段和工具, 使用该技术可以观察生物体内的精细结构、动态追踪生物体内组织、细胞、细胞核、蛋白、小分子等不同尺度的生命活动过程。其中, 研究深层组织高时空分辨率荧光显微成像技术, 是当前成像领域一个前沿问题。应用自适应光学技术实时补偿经由不透明散射、非均匀生物组织传播而引入的复杂波前畸变已被证实是实现上述技术的一种有效途径。文中首先归纳了深层动态荧光显微成像的需求和特点, 随后分别介绍了自适应光学技术近几年在共聚焦显微成像、随机光学重构显微成像、光激活定位显微成像、受激辐射光淬灭显微成像、双光子/多光子激发显微成像中的相关应用, 并对今后的研究问题和发展方向提出展望。
荧光显微成像 自适应光学 深层组织 波前传感 波前校正 fluorescent microscopy adaptive optics deep tissue wavefront sensing wavefront correction 
红外与激光工程
2016, 45(6): 0602001
江孝国 1,2,*董晓娜 1,2王远 1,2陈良益 1,2[ ... ]邓建军 1,2
作者单位
摘要
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 西安 710068
针对在神龙一号上进行电子束瞬态发射度的测量要求,建立了一套利用光学渡越辐射原理进行电子束发射度测量的瞬态测量系统,该测量系统瞬态测量时间最快约10 ns,并获得了神龙一号发射的脉冲电子束的束斑及发散角,典型值分别为约9 mm和10.5 mrad,实现了电子束发散角和束斑的同时测量,为在神龙一号上进行的时间分辨测量系统的研究奠定了基础。
光学渡越辐射 束流诊断 强流加速器 瞬态测量 optical transition radiation beam diagnosis linear induction accelerator instantaneous measurement 
强激光与粒子束
2010, 22(9): 2147
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710068
2 中国科学院研究生院,北京 100039
论述了光纤Bragg光栅(FBG)水听器探头基元-(FBG)的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器(压电型)比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度;对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1kHz~25kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.
光纤Bragg光栅水听器 波长偏移 水声增敏 频响 Bragg gating hvdrophone Wavelength shift Pressure-sensitive polvmer Frequencv response 
光子学报
2006, 35(12): 1934
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710068
2 中国科学院研究生院,北京 100039
提出了一种利用图像处理手段获取舰船尾流中气泡大小和密度的新方法.该方法对利用高速数字摄影设备拍摄的尾流图像进行处理;具有直观、实时、高效等特点,可以方便地应用在实际的工程项目中.
尾流 气泡幕 图像处理 图像识别 区域填充 腐蚀 欧拉数 Wake Bubble film Image process Image recognition Area filling Erosion Euler number 
光子学报
2006, 35(3): 0443

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