20. 12. 2025Výzkumná skupina vedená profesorem Yimingem Lim z Jižní univerzity vědy a technologie (SUSTech) se zabývala klíčovými výzvami v aplikaci mikroskopie lokalizace jednotlivých molekul (SMLM) pro vysoce výkonné zobrazování s vysokým rozlišením zavedením LiteLoc, škálovatelného a lehkého analytického rámce založeného na hlubokém učení. Práce s názvem „Škálovatelné a lehké hluboké učení pro efektivní a vysoce přesnou mikroskopii lokalizace jednotlivých molekul“ byla publikována v mezinárodním časopise Nature Communications.
Inovace LiteLoc
SMLM rekonstruuje obrazy s vysokým rozlišením přesnou lokalizací jednotlivých fluorescenčních molekul napříč desítkami tisíc stochastických blikajících snímků. Výsledné objemy dat kladou přísné nároky na výpočetní efektivitu, datovou propustnost a škálovatelnost systému.
Rámec LiteLoc, navržený s ohledem na klíčové cíle výkonu v reálném čase, vysoké přesnosti lokalizace a vysoké propustnosti, překonává několik kritických úzkých míst ve vysoce výkonné rekonstrukci SMLM:
Integrací neuronových reprezentací s fyzikálně založenými apriorními předpoklady PAMR demonstruje systematická vylepšení oproti tradičním přístupům:
Zrychlená volumetrická rekonstrukceDoba rekonstrukce jednoho 3D objemu (585 × 585 × 120 voxelů) se zkrátila z 250 s na 28 s, což odpovídá přibližně 10násobnému zvýšení rychlosti rekonstrukce.
Zvýšení rozlišení za hranicí difrakčního limitut: Pomocí polokulového osvětlovacího systému s 66 LED diodami v kombinaci s objektivem s numerickou aperturou 40×/0,95 dosahuje PAMR rozlišení v polovině rozteče 137 nm laterálně a 550 nm axiálně, což představuje přibližně dvojnásobné zlepšení oproti difrakčnímu limitu objektivu.
Robustní výkon i za podmínek řídkého zobrazeníVysoce věrné rekonstrukce jsou zachovány s až 75% redukcí pohledu. Při snížení počtu úhlů osvětlení ze 120 na 30 zůstává kvalita rekonstrukce stabilní, přičemž hodnoty SSIM výrazně převyšují hodnoty získané konvenčními metodami FPT.
Podpora kamery Dhyana 400BSI V3 sCMOS pro LiteLoc Innovations
Vysoce věrné snímání signálu a stabilita zobrazování jsou klíčové pro experimentální validaci pokročilých algoritmů výpočetní mikroskopie. TucsenFL 9BWVědecká kamera poskytuje klíčové hardwarové funkce, které podporují rámec PAMR.
Systém LiteLoc SMLM využívá jako svůj hlavní zobrazovací detektor sCMOS kameru Tucsen Dhyana 400BSI V3. Kombinace vysokého poměru signálu k šumu a vysokorychlostního odečtu kamery poskytuje klíčovou hardwarovou podporu pro dosažení teoretických lokalizačních limitů a umožňuje validaci v uzavřené smyčce mezi vývojem algoritmu a experimentálním zobrazováním.
1. Výjimečný poměr signálu k šumu
S kvantovou účinností (QE) až 95 % maximalizuje Dhyana 400BSI V3 efektivní sběr fluorescenčních signálů jednotlivých molekul. Jeho typický šum při odečítání 1,1 e⁻ (RMS) zajišťuje robustní poměr signálu k šumu za podmínek nízkého počtu fotonů, což tvoří pevný základ pro LiteLoc k dosažení přesnosti lokalizace blízké teoretickým limitům.
2. Vysokorychlostní datový výstup
Dhyana 400BSI V3 poskytuje snímky v plném rozlišení až 100 fps při rozlišení 2048 (H) × 2048 (V), což odpovídá rychlosti generování nezpracovaných dat přibližně 550 MB/s (11bitový režim). Tato propustnost se úzce shoduje s analytickou rychlostí LiteLoc 567 MB/s, což přímo podporuje cíle systému v oblasti vysoce výkonného zobrazování.
Reference
Fei, Y., Fu, S., Shi, W. a kol. Škálovatelné a nenáročné hluboké učení pro efektivní a vysoce přesnou mikroskopii lokalizace jednotlivých molekul. Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5
Oznámení o autorských právechTento článek má poskytnout reference k aplikacím souvisejícím s vědeckými kamerami. Části obsahu jsou převzaty z relevantních publikovaných výzkumných prací. Veškerá autorská práva zůstávají u původních autorů. Při citování nebo opětovném použití tohoto materiálu prosím uveďte zdroj.
