基于压缩感知的高速结构光照明超分辨显微成像

超分辨显微成像技术因其超越光学衍射极限的空间分辨率，已广泛应用于细胞中精细结构和动态过程的观察，极大地推动了生物医学领域的发展。其中，结构光照明显微SIM因其高成像速度、低光毒性和广泛的荧光探针适用性得到广泛的关注。SIM需要9张不同结构光模式照明下的荧光图像重构出1张超分辨图像，因此SIM的成像速度受限于相机的帧率。尽管通过硬件系统和重构算法的改进，SIM已实现视频速率的超分辨成像，但仍无法观察更加高速的精细结构动态过程。为了解决SIM高速超分辨成像的问题，我们在前期的工作中将压缩感知原理引入SIM中，提出了一种压缩成像型结构光照明显微成像方案（CISIM），将多幅原始结构光照明图像压缩到较少的测量图像中，并通过算法进行图像重构，以提升最终超分辨成像的速度。然而CISIM的图像重构需要将结构光照明图案的模式作为已知条件。而在实际实验中，难以从压缩测量图像中提取出结构光的照明模式。虽然CISIM的可行性在模拟仿真中得到验证，但在实际实验中难以获得实现。

在本研究工作中，张诗按教授团队提出了一种基于互补编码的压缩成像型结构光照明显微技术（CECI-SIM）在实验上实现了高速超分辨显微成像。CECI-SIM将基于互补编码的时域压缩成像与SIM相结合，以提高超分辨成像速度。通过将同一方向上具有不同相移的3幅原始图像经互补编码调制后压缩到一幅图像中，CECI-SIM仅需3幅压缩图像即可重建超分辨图像。互补编码策略有效缓解了从压缩图像中恢复精细结构信息的负担。此外还针对CECI-SIM的图像重构开发了一种两步图像重构算法，该算法包含了用于时域压缩成像重构的交替方向乘子法算法和用于SIM重建的HiFi-SIM算法。通过两步重构解决了从压缩图像中提取结构光照明模式信息的问题。此外通过对小鼠胚胎成纤维细胞中的微管和肌动蛋白的成像观测在实验上验证了CECI-SIM在成像质量与传统SIM接近的情况下，成像速度提高了三倍。CECI-SIM的高速超分辨成像能力使其为细胞内精细结构高速动态过程的研究提供一种重要观测工具。

该研究成果以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Photonics Research 12, 740 (2024)。

图1: (a)CECI-SIM数据采集和重构原理图。(b) 利用CECI-SIM观测微管和肌动蛋白实验结果展示，以及宽场和常规SIM效果对比。