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北京大學團隊開發(fā)新型顯微成像技術 實現(xiàn)深組織高保真超分辨觀測
2025年09月09日 10:25:33
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：6636
北京大學團隊研發(fā)了新型“雙重共聚焦轉盤圖像掃描顯微技術”（C²SD-ISM），成功實現(xiàn)了在180μm深度組織中的高保真超分辨成像。該技術融合轉盤共聚焦與結構光照明，通過物理去噪和自適應算法有效克服散射干擾，分辨率達144納米，并大幅減少原始圖像需求。
超分辨顯微成像技術近年來顯著推動了生命科學領域對微觀結構的高精度觀測，然而在深層組織中，散射干擾與成像保真度下降等問題仍制約其進一步發(fā)展。針對這一挑戰(zhàn)，北京大學席鵬教授團隊提出了一種稱為“雙重共聚焦轉盤圖像掃描顯微技術”（Confocal² Spinning-Disk Image Scanning Microscopy，C²SD-ISM）的新型成像方法，實現(xiàn)了在180 μm深度下的高保真三維超分辨成像。該成果已于近日發(fā)表在《Light: Science & Applications》。
在復雜生物組織中，現(xiàn)有超分辨成像技術如STED、SIM和SMLM等均面臨散射干擾、照明畸變和信噪比下降等問題，導致圖像質量受限。圖像掃描顯微鏡(ISM)雖在共聚焦基礎上通過像素重分配和反卷積提高了分辨率，但其在深層組織中的應用仍受限于背景噪聲和成像保真度不足。
C²SD-ISM系統(tǒng)結合了轉盤共聚焦與結構光照明顯微（SIM）兩種技術，通過雙重共聚焦設計有效抑制離焦信號：第一層采用轉盤共聚焦物理去除背景噪聲，第二層通過數(shù)字微鏡裝置(DMD)實現(xiàn)稀疏多焦點照明，并結合新開發(fā)的動態(tài)針孔陣列像素重分配算法(DPA-PR)進行超分辨重建。該技術不僅顯著提升了成像信噪比和分辨率，還將所需原始圖像數(shù)量降低至傳統(tǒng)多點結構光超分辨技術(MSIM)的約1/6。
研究團隊還開發(fā)了DPA-PR算法，通過構建虛擬探測器陣列和相位互相關估計，有效校正了斯托克斯位移和光學像差帶來的影響。在實驗中，該技術在線性相關性和結構連續(xù)性方面表現(xiàn)出較高保真度，對小鼠腎組織切片實現(xiàn)了144 nm分辨率成像，并在斑馬魚血管樣本中清晰呈現(xiàn)出傳統(tǒng)共聚焦難以分辨的細微結構。
此外，該系統(tǒng)可利用DMD實現(xiàn)結構光照明模態(tài)(SIM)，在深至50 μm的霉菌樣本中實現(xiàn)1.68倍的分辨率提升，并成功應用于斑馬魚心外膜組織的精細成像。
研究團隊指出，C²SD-ISM在分辨率、成像深度與圖像保真度之間實現(xiàn)了較好平衡，具備多色成像、高通量和三維分析的擴展能力。相關硬件控制與重建算法代碼已在Gitithub平臺開源，以促進技術傳播與合作。部分成果已轉化為商業(yè)產(chǎn)品“Nova-SD轉盤共聚焦”，支持7色激發(fā)和230 nm原始橫向分辨率。未來結合深度學習與自適應光學，C²SD-ISM有望進一步拓展在活體動態(tài)成像和大尺度組織觀測中的應用。
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