20/12/2025Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Yiming Li στο Νότιο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας (SUSTech) αντιμετώπισε βασικές προκλήσεις στην εφαρμογή της μικροσκοπίας εντοπισμού μονομορίων (SMLM) σε απεικόνιση υψηλής απόδοσης υπερ-ανάλυσης, εισάγοντας το LiteLoc, ένα κλιμακωτό και ελαφρύ πλαίσιο ανάλυσης βασισμένο στη βαθιά μάθηση. Η εργασία, με τίτλο «Κλιμακώσιμη και ελαφριά βαθιά μάθηση για αποτελεσματική μικροσκοπία εντοπισμού μονομορίων υψηλής ακρίβειας», δημοσιεύθηκε στο διεθνές περιοδικό Nature Communications.
Καινοτομίες LiteLoc
Το SMLM ανακατασκευάζει εικόνες υψηλής ανάλυσης εντοπίζοντας με ακρίβεια μεμονωμένα φθορίζοντα μόρια σε δεκάδες χιλιάδες στοχαστικά πλαίσια που αναβοσβήνουν. Οι όγκοι δεδομένων που προκύπτουν επιβάλλουν αυστηρές απαιτήσεις στην υπολογιστική απόδοση, την απόδοση δεδομένων και την επεκτασιμότητα του συστήματος.
Σχεδιασμένο γύρω από τους βασικούς στόχους της απόδοσης σε πραγματικό χρόνο, της υψηλής ακρίβειας εντοπισμού και της υψηλής απόδοσης, το πλαίσιο LiteLoc ξεπερνά αρκετά κρίσιμα σημεία συμφόρησης στην ανακατασκευή SMLM υψηλής απόδοσης:
Ενσωματώνοντας νευρωνικές αναπαραστάσεις με προγενέστερα βασισμένα στη φυσική, το PAMR επιδεικνύει συστηματικές βελτιώσεις σε σχέση με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις:
Επιταχυνόμενη ογκομετρική ανακατασκευήΟ χρόνος ανακατασκευής για έναν μόνο τρισδιάστατο όγκο (585 × 585 × 120 voxels) μειώνεται από 250 s σε 28 s, που αντιστοιχεί σε περίπου 10 φορές αύξηση της ταχύτητας ανακατασκευής.
Βελτίωση ανάλυσης πέρα από το όριο περίθλασηςt: Χρησιμοποιώντας ένα ημισφαιρικό σύστημα φωτισμού με 66 LED σε συνδυασμό με έναν αντικειμενικό φακό 40×/0,95 NA, ο PAMR επιτυγχάνει αναλύσεις μισού βήματος 137 nm πλευρικά και 550 nm αξονικά, αντιπροσωπεύοντας μια περίπου διπλάσια βελτίωση σε σχέση με το όριο περίθλασης του αντικειμενικού φακού.
Ισχυρή απόδοση σε συνθήκες περιορισμένης ορατότηταςΟι ανακατασκευές υψηλής πιστότητας διατηρούνται με μείωση της προβολής έως και 75%. Όταν ο αριθμός των γωνιών φωτισμού μειώνεται από 120 σε 30, η ποιότητα της ανακατασκευής παραμένει σταθερή, με τις τιμές SSIM να υπερβαίνουν σημαντικά εκείνες που λαμβάνονται με συμβατικές μεθόδους FPT.
Υποστήριξη κάμερας Dhyana 400BSI V3 sCMOS για καινοτομίες LiteLoc
Η λήψη σήματος υψηλής πιστότητας και η σταθερότητα απεικόνισης είναι κρίσιμες για την πειραματική επικύρωση προηγμένων αλγορίθμων υπολογιστικής μικροσκοπίας. Το TucsenΦλόριντα 9BWΗ επιστημονική κάμερα παρέχει βασικές δυνατότητες υλικού που υποστηρίζουν το πλαίσιο PAMR.
Το σύστημα LiteLoc SMLM χρησιμοποιεί την κάμερα sCMOS Tucsen Dhyana 400BSI V3 ως τον βασικό ανιχνευτή απεικόνισης. Ο συνδυασμός υψηλής απόδοσης σήματος προς θόρυβο και υψηλής ταχύτητας ανάγνωσης της κάμερας παρέχει κρίσιμη υποστήριξη υλικού για την επίτευξη θεωρητικών ορίων εντοπισμού και επιτρέπει την επικύρωση κλειστού βρόχου μεταξύ της ανάπτυξης αλγορίθμων και της πειραματικής απεικόνισης.
1. Εξαιρετική απόδοση σήματος προς θόρυβο
Με κβαντική απόδοση (QE) έως και 95%, το Dhyana 400BSI V3 μεγιστοποιεί την αποτελεσματική συλλογή μονομοριακών σημάτων φθορισμού. Ο τυπικός θόρυβος ανάγνωσης 1,1 e⁻ (RMS) εξασφαλίζει ισχυρούς λόγους σήματος προς θόρυβο υπό συνθήκες χαμηλών φωτονίων, σχηματίζοντας μια σταθερή βάση για το LiteLoc ώστε να επιτυγχάνει ακρίβεια εντοπισμού κοντά στα θεωρητικά όρια.
2. Έξοδος δεδομένων υψηλής ταχύτητας
Το Dhyana 400BSI V3 παρέχει απεικόνιση πλήρους ανάλυσης έως και 100 fps στα 2048 (H) × 2048 (V), που αντιστοιχεί σε ρυθμό παραγωγής ακατέργαστων δεδομένων περίπου 550 MB/s (11-bit). Αυτή η απόδοση αντιστοιχεί σε μεγάλο βαθμό στον ρυθμό ανάλυσης της LiteLoc των 567 MB/s, υποστηρίζοντας άμεσα τους στόχους απεικόνισης υψηλής απόδοσης του συστήματος.
Αναφορές
Fei, Y., Fu, S., Shi, W. et al. Κλιμακούμενη και ελαφριά βαθιά μάθηση για αποτελεσματική μικροσκοπία εντοπισμού μονομοριακού μεγέθους υψηλής ακρίβειας. Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5
Ειδοποίηση Πνευματικών ΔικαιωμάτωνΑυτό το άρθρο έχει ως στόχο να παρέχει αναφορές εφαρμογών που σχετίζονται με επιστημονικές κάμερες. Τμήματα του περιεχομένου προέρχονται από σχετικές δημοσιευμένες ερευνητικές εργασίες. Όλα τα πνευματικά δικαιώματα παραμένουν στους αρχικούς συγγραφείς. Παρακαλούμε να αναφέρετε την πηγή κατά την αναφορά ή την επαναχρησιμοποίηση αυτού του υλικού.
