随机结构照明显微镜：无扫描超分辨率成像
随机结构照明显微镜（S2IM）：无扫描超分辨率成像技术的研究报告
学术背景
在超分辨率显微镜领域，传统的结构照明显微镜（Structured Illumination Microscopy, SIM）技术依赖于精确的机械控制和微米级的光学对准，以实现高分辨率成像。然而，这种技术要求复杂的硬件设备和高精度的操作，限制了其在某些应用场景中的使用，尤其是在需要长工作距离或非侵入性成像的环境中，如眼科检查、天文观测或活性物质研究。为了解决这些问题，意大利理工学院（Italian Institute of Technology）的研究团队提出了一种新的超分辨率成像方法——随机结构照明显微镜（Stochastically Structured Illumination Microscopy, S2IM）。该方法通过利用目标物体的随机运动，避免了对照明模式的精确控制，从而简化了实验流程并降低了成本。
论文来源
该研究由意大利理工学院的研究团队完成，主要作者包括Denzel Fusco、Emmanouil Xypakis、Ylenia Gigante等，论文于2024年发表在《npj Imaging》期刊上。研究团队通过结合眼科检查中的眼动特性，展示了S2IM技术在无扫描超分辨率成像中的潜力。
研究流程
1. 研究设计与实验对象
S2IM技术的核心思想是利用目标物体的随机运动来替代传统的照明控制。研究团队选择眼科检查作为应用场景，利用人眼的自然眼动（saccadic movement）来诱导视网膜上照明模式的随机位移。为了避免直接使用人类受试者，研究团队开发了一个仿生眼模型（Motorized Biological Model Eye, M-BIME），该模型能够模拟人眼的眼动，并配备了由人类诱导多能干细胞（iPSC）分化的视网膜神经元作为样本。
2. 实验装置与数据采集
实验装置包括激光光源、散斑生成模块、LED光源和两个同步的相机。激光通过散斑生成模块形成散斑照明模式，照射到仿生眼模型的视网膜上。LED光源则用于提供均匀的反射照明，以获取视网膜的反射图像。两个相机分别用于采集荧光信号和反射图像，曝光时间设置为2毫秒，以避免运动模糊。
3. 图像处理与超分辨率重建
通过采集的反射图像，研究团队使用图像配准技术（image registration）来精确计算视网膜的位移。随后，荧光图像根据位移信息进行校正和重新排列，生成一个稳定的荧光对象数据集。最后，研究团队开发了一种基于梯度下降算法的超分辨率重建方法，从低分辨率图像堆栈中生成高分辨率图像。
主要结果
1. 数值实验验证
研究团队首先通过数值实验验证了S2IM技术的性能。实验结果表明，S2IM与传统的计算结构照明显微镜（C-SIM）在分辨率增强方面表现相似，且随着图像数量的增加，分辨率增强逐渐趋于饱和值2。此外，S2IM对噪声具有较高的鲁棒性，能够在低信噪比条件下保持稳定的性能。
2. 仿生眼模型实验
在仿生眼模型实验中，研究团队使用直径为15微米的荧光珠作为测试样本。实验结果显示，S2IM技术能够将分辨率从6.5微米提升至3.4微米，分辨率增强因子为1.9，与数值实验的结果一致。
3. 视网膜神经元成像
研究团队进一步将S2IM技术应用于人类iPSC分化的视网膜神经元成像。尽管荧光信号较弱，且曝光时间受限，S2IM仍然能够显著提升图像的分辨率，展示了其在生物医学成像中的潜力。
结论与意义
S2IM技术通过利用目标物体的随机运动，成功实现了无扫描超分辨率成像，避免了传统SIM技术中复杂的照明控制需求。该技术在眼科检查、天文观测和活性物质研究等领域具有广泛的应用前景。此外，S2IM技术的简化实验流程和低成本特性，使其在临床和科研中的应用更加便捷。
研究亮点
- 创新性方法：S2IM技术首次将目标物体的随机运动应用于超分辨率成像，突破了传统SIM技术的限制。
- 广泛应用前景：该技术不仅适用于眼科检查，还可扩展到天文观测、活性物质研究等领域。
- 实验简化与成本降低：通过避免复杂的照明控制设备，S2IM技术显著降低了实验的复杂性和成本。
其他有价值的信息
研究团队已将实验数据和代码公开在GitHub平台上，供其他研究人员参考和使用。此外，研究团队还计划进一步优化算法，以实现实时成像处理，进一步提升S2IM技术的应用价值。
通过这项研究，S2IM技术为超分辨率显微镜领域提供了一种新的解决方案，展示了其在多个科学领域中的巨大潜力。