【儀表網 研發(fā)快訊】近日，南京理工大學電子工程與光電技術學院陳錢、左超教授團隊提出了一種基于主成分分析的三維結構光照明顯微成像方法(PCA-3DSIM)。相關研究成果以“Principal component analysis for three-dimensional structured illumination microscopy (PCA-3DSIM)”為題發(fā)表于國際頂尖光學期刊Light: Science & Applications。電光學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)。
三維結構光照明顯微成像技術(3D-SIM)能夠實現亞細胞結構的三維可視化與納米級分辨率重建，在生命科學研究中得到廣泛應用。然而，該技術在實際應用會受到光學像差、熒光密度異質性等因素的影響，導致照明參數估計不準確，從而影響圖像重建質量。該研究團隊此前提出了基于主成分分析的結構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估計的精度與魯棒性(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，并被評為“2023年中國光學十大社會影響力事件”。然而，將該方法推廣至3D-SIM，需應對更高維度的數據結構以及體積空間內照明參數變化帶來的額外復雜性。
研究團隊在PCA-SIM的基礎上，提出了結構光照明模型的張量(Tensor)分析方法。在3D-SIM中，照明相量可表征為一個三階張量。研究發(fā)現，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，理想照明張量僅由一個“外積因子”構成，各模態(tài)展開矩陣的列空間僅包含一個“主成分”；而實際成像中，噪聲、像差等干擾因素則表現為不規(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主導的外積因子/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，對實驗獲取的照明張量進行Tucker分解并提取各模態(tài)下的第一主成分，從而準確還原出結構化光場的亞像素級波矢量與初相位。此外，針對照明參數空間非均勻性問題，研究人員提出了一種自適應局部分塊重建策略，通過對局部區(qū)域進行基于PCA的參數獨立優(yōu)化，進一步提升了3D-SIM的圖像重建質量(圖1)。
圖1 PCA-3DSIM的原理示意圖。a-d自適應分塊重建策略示意圖；e-hPCA-3DSIM的重建算法步驟
為評估PCA-3DSIM在復雜成像條件下的穩(wěn)健性，研究人員通過在理想三維結構光照明場中引入逐像素波矢偏移及層間軸向位移，以模擬實際成像過程中的空間照明參數擾動(圖2a-2c)。在此基礎上，分別采用PCA-3DSIM與先進的開源重建框架Open-3DSIM進行重建對比。仿真結果顯示，PCA-3DSIM能夠準確提取局部照明主成分，顯著抑制偽影產生，重建圖像在空間分辨率與結構保真度方面更接近于理想參考圖(圖2d-2j)。
圖2 照明參數隨體積空間變化情況下的仿真對比結果。a, b仿真的三維結構光照明場；c沿圖b中藍色虛線處的強度剖面圖；d-g不同方法(Open-3DSIM和PCA-3DSIM)獲得的寬場圖像與超分辨圖像；h沿圖e-g中藍線處的強度剖面圖；i, j不同方法所得超分辨圖像與真實圖像間的結構相似性指數(SSIM)與峰值信噪比(PSNR)
隨后，研究人員進一步驗證了PCA-3DSIM在自研系統中的適用性。針對該系統固有的照明參數波動及系統誤差問題，PCA-3DSIM實現了相較于對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到95.83 nm和296.95 nm，優(yōu)于對比方法所獲得的98.22 nm與298.04 nm，驗證了其在低穩(wěn)態(tài)系統中的魯棒性和成像精度優(yōu)勢(圖3f-3h)。此外，研究人員進一步在商業(yè)化Nikon N-SIM平臺上對PCA-3DSIM進行了擴展驗證(圖4)。實驗結果顯示，PCA-3DSIM仍展現出穩(wěn)定的重建性能，證明了其良好的系統兼容性與實際應用潛力。
圖3 在自研系統下對HeLa細胞樣本進行的超分辨成像對比實驗。a-e寬場圖像與不同方法獲得的超分辨圖像；f圖c-e中沿黃色線的強度剖面圖；g特定層超分辨圖像的PANEL評估對比圖；h不同方法獲得的三維超分辨圖像堆棧的PANEL值與rFRC值分布對比
圖4在Nikon N-SIM平臺下對COS-7細胞樣本進行的超分辨成像對比實驗。a-d寬場圖像與不同方法獲得的超分辨圖像；e圖b-d中沿藍色線的強度剖面圖；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
上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、基金委國家重大科研儀器研制項目、基金委聯合基金重點項目、中央高校基礎科研業(yè)務費專項資金等項目的支持。
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