结构光照明超分辨成像强度保真度的定量评估

Quantitative evaluation of intensity fidelity of super-resolution reconstruction for structured illumination microscopy

Yujun Tang, Linbo Wang, Gang Wen, and Hui Li

https://doi.org/10.1142/S1793545824500263

结构光照明超分辨显微镜（SR-SIM）作为一种高时间分辨率、低光毒性的超分辨成像技术，广泛应用于活细胞的动态成像。SIM作为一种计算成像方法，其成像质量很大程度依赖于重建算法的优劣。近年来，SR-SIM算法在高保真地恢复样本细微结构方面取得了显著进展。但是其重建图像的像素强度是否与原始荧光强度保持线性关系鲜被关注。近期，中国科学技术大学苏州生物医学工程学院/中国科学院苏州生物医学工程研究所/中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队提出全新评估方法IRF，用于定量评估SR-SIM重建图像的强度保真度，揭秘不同算法的“保真度”差异，为定量成像提供重要参考。

研究背景

结构光照明超分辨显微镜（SR-SIM）因其出色的成像速度、兼容的标记策略和高效的光子预算，已成为活细胞超分辨成像的首选工具之一。SIM依赖于后处理重建算法，通过多帧原始图像重构高分辨率的显微图像。尽管许多SIM重建算法能够从噪声数据中恢复细胞的细微结构，但重建后图像的像素强度与原始荧光信号间的线性关联性（即强度保真度）仍缺乏系统性研究。当前SIM重建算法多聚焦于空间分辨率提升和伪影抑制，而频谱优化、去卷积参数选择等关键操作对荧光强度定量关系的潜在影响尚未在现有文献中得到充分探讨。这一局限性可能制约SIM在荧光共振能量转移（FRET）、单分子定量测量等对信号保真度敏感的应用场景中的可靠性。

研究方法

传统评估方法（如MSE、SSIM）难以衡量图像亮度的线性关系。该团队提出一种基于空间频率的强度保真度评估方法（IRF, Intensity Ratio at certain Frequency），通过计算特定空间频率下的平均强度比来反映SIM算法是否“忠实还原”荧光强度。为精准分析重建前后的强度变化，团队使用MATLAB模拟了二维SIM成像过程，通过仿真数据进行分析，保证绝对真实的原始荧光强度。通过对比标准Wiener-SIM重建算法和其他四种开源SIM算法（Fair-SIM、Hessian-SIM、HiFi-SIM和Sparse-SIM）的重建结果，系统评估了这些算法在不同频率下的强度保真度。

主要创新点

• 强度保真度评估方法：提出了一种新的评估指标IRF，能够定量分析SIM重建算法对不同频率信息的影响，填补了该领域的研究空白。

• 系统性评估：首次系统性地评估了多种SIM算法在强度保真度方面的表现，为选择合适的重建算法提供了科学依据。

• 噪声影响分析：揭示了噪声对强度保真度的影响，发现即使在准确的模式参数下，噪声也会显著影响重建图像的强度保真度。

应用前景

该研究为超分辨成像的定量分析提供了重要的理论支持，特别是在需要精确荧光强度定量的场景中，如荧光共振能量转移（FRET）成像和荧光相关光谱（FCS）。通过优化重建算法，可以进一步提高SR-SIM在生物医学研究中的应用价值，尤其是在活细胞成像和动态监测方面。

结语

本研究通过提出IRF评估方法，系统地分析了多种SIM重建算法的强度保真度，为活细胞超分辨成像的定量分析提供了新的视角。未来，结合深度学习和物理模型的混合算法有望在保持结构保真度的同时，进一步提高强度保真度，推动SR-SIM技术在生物医学成像中的广泛应用。

通讯作者简介

李辉，现为中国科学院宁波材料技术与工程研究所“旗舰人才”研究员，长期致力于面向生物学研究应用的先进光学显微成像技术开发、仪器研制、图像处理和生物结构建模等方面的研究工作。更多详情见：https://lihui.nimte.ac.cn/lihui1.html