西安交大科研团队在结构光照明超分辨成像领域取得新进展

光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着重要角色。大到宇宙，小到分子，看得更清楚是人们不断追求的目标。但受限于光的衍射特性，传统光学系统的空间分辨率存在瑞利-阿贝物理极限。中国光学工程学会2023发布的年度15个重大科学问题中，第一个问题就是“如何突破时-空极限实现超快超分辨成像”。超分辨光学成像技术是近些年来发展最快、受关注度最高的光学成像技术之一。结构光照明超分辨显微技术（Super Resolution Structured Illumination Microscopy, SR-SIM）是一种基于特殊空间调制光场照明和面阵图像传感器探测的宽场超分辨成像技术，其具有更快的成像速度、更低的光毒性以及更弱的光漂白，在活体细胞的长时间动态观测中备受青睐。然而，一方面传统的SR-SIM重建算法涉及到大量频率域计算，重建过程比较耗时（一般需要秒级的时间重构一帧图像），这使得实现实时的超分辨观测变得十分困难。另一方面，SR-SIM在图像重构过程中，计算误差和光学传递函数失配等因素有可能会导致重构图像中出现伪影，从而影响最终超分辨图像的保真度。

西安交通大学物理学院雷铭教授团队近年来围绕如何提升光学显微镜的时空分辨率以及空间带宽积等问题，创新性地提出了一种无伪影超分辨图像重建方法（Joint-Space-Frequency-Reconstruction-based Artifact Reduction algorithm，JSFR-AR-SIM）。该算法在图像重构伪影，提升结果保真度的同时，极大提高了SR-SIM的图像重建速度，解决了传统重建方法难以实现实时重建的问题。算法重构速度最高达到3.1毫秒@512*512 pixels，相较于传统SR-SIM算法提升了两个数量级，满足极限拍摄速度下的实时重建需求，实现了对活细胞样品的“边拍摄，边观测”。理论模拟和实验观测均证明该方法在提升重建速度的同时并不会损失任何图像质量（图1）

图1 HeLa细胞中的细胞骨架成像结果对比

JSFR-AR-SIM相比其他算法重建时间（RT）更短，重构伪影也得到了抑制

另外，团队提出的基于空域和频域联合重构方案JSFR-SIM突破了传统SIM需要在频率空间重构超分辨图像的理论框架，已经证明JSFR-SIM重构方案适用于包括3D-SIM等多种结构光照明超分辨技术的图像重构。相关技术目前已授权多项国家发明专利，系统工程样机已经研制完成并实现了高质量超分辨结果的实时显示（图2）。


图2 超分辨结构光照明显微镜照片（实物尺寸：100*60*20cm）

上述研究成果以“结构光照明超分辨显微成像技术的快速无伪影图像重建”（Rapid, artifact-reduced, image reconstruction for super-resolution structured illumination microscopy）为题发表在《创新》（The Innovation）上。该论文以西安交通大学为第一单位，合作单位包括北京大学、华南师范大学以及内布拉斯加大学医学中心等多家单位。论文共同第一作者为西安交通大学物理学院汪召军和赵天宇博士，唯一通讯作者为西安交通大学物理学院雷铭教授。

雷铭教授团队长期从事超分辨光学显微成像技术及其在生物学中的应用研究，所研制的结构光照明超分辨显微镜具有国际领先水平，与国内外多家科研机构开展了研究合作。团队于2021年获批“先进光学成像融合人工智能”陕西省科技创新团队。

论文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00053-X

雷铭教授团队校内主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/ming.lei

雷铭教授团队团队校外宣传主页：http://www.opticaltweezers.net/