بازسازی تصویر با سرعت بالا برای میکروسکوپ روشنایی ساختار یافته با برش نوری و وضوح فوق العاده

خلاصه

میکروسکوپ روشنایی ساختار یافته با وضوح فوق العاده (SR-SIM) یک روش برجسته برای تجسم دینامیک درون سلولی در سلول های زنده است. تا به امروز، با استفاده از سیستم‌ها و الگوریتم‌های دقیق طراحی شده، SR-SIM می‌تواند به رصد SR سریع، برش نوری با صدها تا هزاران نقطه زمانی دست یابد. با این حال، مشاهده بی‌درنگ برای اکثر تنظیمات سیم‌کارت دور از دسترس است، زیرا الگوریتم‌های مرسوم برای بازسازی تصویر شامل بار محاسباتی سنگینی هستند. برای رفع این محدودیت، یک الگوریتم بازسازی تسریع شده با اجرای یک گردش کار ساده شده برای SR-SIM، به نام بازسازی فضای مشترک و فرکانس توسعه داده شد. این الگوریتم منجر به بهبود 80 برابری سرعت بازسازی نسبت به Wiener-SIM می شود. به طور حیاتی، افزایش سرعت پردازش به قیمت تفکیک فضایی یا قابلیت برش نیست، همانطور که با تصویربرداری زنده از دینامیک میکروتوبول ها و لوله های میتوکندری نشان داده شده است.

1. معرفی

مزایای میکروسکوپ روشنایی ساختاریافته (SIM) به عنوان یک روش تصویربرداری سلول زنده، وضوح زمانی بالا، حداقل آسیب فوتون، و نور سفید شدن کم است. با این حال، مشاهده نانوساختارها در سلول های ضخیم برای دو بعدی (2D) معمولی چالش برانگیز است. سیم کارت زیرا کیفیت تصویر به دلیل پس زمینه خارج از فوکوس کاهش می یابد. این از "مخروط گمشده" معروف تابع انتقال نوری (OTF) سرچشمه می‌گیرد. به طور خاص، چنین اطلاعات خارج از فوکوس، فلورسانس پس‌زمینه قابل‌توجهی و مصنوعات لانه زنبوری دوره‌ای را در تصاویر فوق‌حل‌شده معرفی می‌کنند که منجر به کاهش وضوح تصویر می‌شود. و کنتراست ضعیف.11

برای پر کردن مخروط گمشده OTF، چندین رویکرد سه بعدی با وضوح فوق العاده (SR)-SIM، از جمله SIM2 سه پرتوی و I5S،12 برای افزایش وضوح فضایی در سه بعدی توسعه داده شد. به دلیل سرعت تصویربرداری سریعتر و اجرای ساده تر، روش اول به یک رویکرد استاندارد و پرکاربرد در بسیاری از تنظیمات تجاری 3D-SIM تبدیل شده است. با این حال، از آنجایی که برای بازسازی یک تصویر SR به 15 فریم خام نیاز دارد، سیم کارت سه پرتو به بودجه فوتون به میزان قابل توجهی بیشتری نیاز دارد و سرعت تصویربرداری کمتری نسبت به سیم‌کارت دو بعدی معمولی دارد.

به طور جداگانه، میکروسکوپ روشنایی ساختار یافته با وضوح فوق العاده با برش نوری (OS-SR-SIM) برای جبران مخروط گم شده از طریق یک تقریب بهینه سازی تجربی، معروف به تضعیف OTF، توسعه داده شد. در مخروط‌های گمشده باندهای عبور مرتبه اول بدون کاهش نسبت سیگنال به نویز در تصویر نهایی، در حالی که سایر روش‌ها اطلاعات خارج از فوکوس را صرفاً با حذف مؤلفه اطلاعات مرتبه صفر سرکوب می‌کنند.15 برخلاف سه سیم‌کارت پرتو، OS-SR-SIM برای بازسازی یک تصویر SR تنها به 9 فریم نیاز دارد که در نتیجه سرعت بازسازی سریع‌تر و دوز نور کمتری را به همراه دارد.7،16 مهمتر از آن، تنظیمات نوری یکسانی با سیم‌کارت دوبعدی معمولی دارد که باعث می‌شود آن را بسیار زیاد کند. پیاده سازی راحت تر و راحت تر به این دلایل، OS-SR-SIM در جایی ترجیح داده می شود که تقاضاهای بالاتری بر وضوح زمانی و بودجه فوتون نسبت به وضوح محوری داشته باشد، در نتیجه امکان بررسی پویایی اندامک ها در سلول های نسبتاً ضخیم (با ضخامت چند میکرون) وجود دارد. 17

با این حال، الگوریتم بازسازی برای OS-SR-SIM به دلیل یک گردش کار پیچیده و تعداد زیادی محاسبات، بار محاسباتی قابل توجهی را تحمیل می کند. این تصویربرداری بلادرنگ را باطل می کند زیرا برای بازسازی یک تصویر SR منفرد به 4 تا 8 ثانیه نیاز است.

1024

×

1024

پیکسل ها

 به عبارت دیگر، اپراتورهای میکروسکوپ باید ابتدا از حالت میدان دید گسترده برای پیمایش میدان دید امیدوارکننده (FOV) برای بررسی های خود استفاده کنند، سپس به حالت SR-SIM سوئیچ کنند تا تصاویر خام برای SR-SIM را بدست آورند. و برای مشاهده یک تصویر SR پس از پس پردازش اختصاصی، مدت زیادی منتظر بمانید. گردش کار از هم گسیخته تنظیمات سیم کارت به ناچار مانع از کاربرد گسترده SR-SIM در بین زیست شناسان می شود. برای غلبه بر این مشکل، یک رویکرد تقویت‌شده با واحد پردازش گرافیکی (GPU) با استفاده از ابزارهای محاسباتی موازی برای تسریع در بازسازی SR ارائه شد. سایز کمتر از

512

×

512

پیکسل ها

.

رویکردهای جایگزین بر بهبود سرعت الگوریتم‌های بازسازی متمرکز بودند، به‌ویژه از منظر بازسازی حوزه فضایی (SDR). 19-22 منشأ مفهوم بازسازی تصویر SR در فضای واقعی به اولین کار Lukosz20 در دهه 1960، که به عنوان فکر اولیه SR-SIM ظاهر شد. در سال 2001، So et al.21 به طور جامع اصل SR-SIM را در حوزه فضایی تفسیر کردند و بیان صریح تفسیر حوزه فضایی SR-SIM را ارائه کردند، که البته بیشتر به عنوان یک الگوریتم بازسازی مورد استفاده قرار نگرفت. در سال 2008، Somekh و همکاران 22 یک روش بازسازی جدید را برای تسهیل تجزیه و تحلیل کمی نویز SR-SIM ایجاد کردند، که تصویر SR را از تصاویر خام سیم کارت بدون نیاز به انجام تبدیل فوریه به دست آورد. این اولین بار بود که تفسیر حوزه فضایی به عنوان یک روش بازسازی ظاهر شد. تا سال 2021، ما بیشتر از آن به عنوان یک الگوریتم بازسازی سریع به نام الگوریتم SDR استفاده کردیم. بر خلاف الگوریتم‌های اصلی بازسازی که عموماً در فضای فوریه اجرا می‌شدند، روش SDR تمام محاسبات را در حوزه فضایی انجام داد که منجر به افزایش هفت برابری شد. در سرعت بازسازی تصویر با این حال، الگوریتم قبلی به درستی پس‌زمینه خارج از فوکوس ناشی از مخروط گمشده OTF را بررسی نکرد.

در این مقاله، برای پرداختن به سرعت بازسازی و مشکل مخروط از دست رفته، یک الگوریتم بازسازی سریع به نام فضای مشترک و بازسازی فرکانس (JSFR)-SIM با ترکیب پردازش حوزه فضایی با OS-SR-SIM پیاده سازی شده در حوزه فرکانس توسعه داده شد. در نتیجه تصویر بهبود یافته r

دانشنامه بیوفیزیک

دائرالمعارف بیوفیزیک هم به عنوان یک منبع اطلاعاتی که به راحتی قابل دسترسی است و هم به عنوان راهنمای مقدماتی ادبیات علمی ، تصور می شود. این شامل ورودی هایی است که هر دو روش و سیستم را توصیف می کند.

در مطالب تکنیک ها ، هر یک از طیف گسترده ای از روش ها که تحت عنوان بیوفیزیک قرار می گیرند ، همراه با ارزش و محدودیت های اطلاعاتی که هر یک ارائه می دهد ، به طور مفصل توضیح داده شده است. این روشها از پراش (اشعه ایکس ، الکترون و نوترون) از طریق طیف وسیعی از روشهای طیف سنجی (اشعه ایکس ، نوری ، EPR ، NMR) تا تصویربرداری (از میکروسکوپ الکترونی تا تصویربرداری سلول زنده و MRI) و همچنین محاسباتی را شامل می شود. و رویکردهای شبیه سازی.