Dhyana 400BSI V3 카메라, 고처리량 단일 분자 위치 측정 현미경용

남방과학기술대학교(SUSTech)의 리이밍(Yiming Li) 교수 연구팀은 확장 가능하고 경량화된 딥러닝 기반 분석 프레임워크인 LiteLoc을 개발하여 단일 분자 위치 추적 현미경(SMLM)을 고처리량 초고해상도 이미징에 적용하는 데 있어 핵심적인 과제들을 해결했습니다. "효율적이고 높은 정확도를 갖춘 단일 분자 위치 추적 현미경을 위한 확장 가능하고 경량화된 딥러닝"이라는 제목의 이 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었습니다.

LiteLoc Innovations

SMLM은 수만 개의 무작위 깜빡임 프레임에 걸쳐 단일 형광 분자의 위치를 정확하게 파악하여 초고해상도 이미지를 재구성합니다. 이로 인해 발생하는 방대한 데이터는 계산 효율성, 데이터 처리량 및 시스템 확장성에 대한 엄격한 요구 사항을 부과합니다.

실시간 성능, 높은 위치 정확도 및 높은 처리량이라는 핵심 목표를 중심으로 설계된 LiteLoc 프레임워크는 고처리량 SMLM 재구성에서 발생하는 여러 가지 중요한 병목 현상을 극복합니다.

PAMR은 신경 표현과 물리 기반 사전 정보를 통합함으로써 기존 접근 방식보다 체계적인 개선을 보여줍니다.

가속 체적 재구성단일 3D 볼륨(585 × 585 × 120 복셀)의 재구성 시간이 250초에서 28초로 단축되어 재구성 속도가 약 10배 향상되었습니다.

회절 한계를 뛰어넘는 해상도 향상t: 66개의 LED로 구성된 반구형 조명 시스템과 40×/0.95 NA 대물렌즈를 결합하여 사용하는 PAMR은 측면으로 137nm, 축 방향으로 550nm의 하프 피치 해상도를 달성하며, 이는 대물렌즈의 회절 한계 대비 약 두 배 향상된 수치입니다.

시야가 부족한 조건에서도 안정적인 성능최대 75%의 시야 축소에도 불구하고 높은 충실도의 재구성이 유지됩니다. 조명 각도 수를 120개에서 30개로 줄여도 재구성 품질은 안정적으로 유지되며, SSIM 값은 기존 FPT 방법을 사용했을 때 얻은 값보다 훨씬 높습니다.

LiteLoc Innovations용 Dhyana 400BSI V3 sCMOS 카메라 지원

고충실도 신호 획득 및 영상 안정성은 첨단 전산 현미경 알고리즘의 실험적 검증에 매우 중요합니다. 투센(Tucsen)FL 9BW과학용 카메라는 PAMR 프레임워크를 지원하는 핵심 하드웨어 기능을 제공합니다.

LiteLoc SMLM 시스템은 핵심 영상 검출기로 Tucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS 카메라를 사용합니다. 이 카메라는 높은 신호 대 잡음비와 고속 판독 속도를 제공하여 이론적인 위치 추정 한계를 달성하는 데 필수적인 하드웨어 지원을 제공하며, 알고리즘 개발과 실험 영상 촬영 간의 폐쇄 루프 검증을 가능하게 합니다.

1. 탁월한 신호 대 잡음비 성능

최대 95%의 양자 효율(QE)을 자랑하는 Dhyana 400BSI V3는 단일 분자 형광 신호의 효과적인 수집을 극대화합니다. 일반적인 판독 잡음 수준은 1.1 e⁻(RMS)로, 저광자 조건에서도 안정적인 신호 대 잡음비를 보장하여 LiteLoc이 이론적 한계에 근접한 위치 정확도를 달성할 수 있는 견고한 기반을 제공합니다.

2. 고속 데이터 출력

Dhyana 400BSI V3는 2048(H) × 2048(V) 해상도에서 최대 100fps의 속도로 고해상도 이미징을 제공하며, 이는 약 550MB/s(11비트)의 원시 데이터 생성 속도에 해당합니다. 이러한 처리량은 LiteLoc의 분석 속도인 567MB/s와 거의 일치하여 시스템의 고처리량 이미징 목표를 직접적으로 지원합니다.

참고 자료

Fei, Y., Fu, S., Shi, W. 외. 효율적이고 높은 정확도의 단일 분자 위치 추적 현미경을 위한 확장 가능하고 경량화된 딥러닝. Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5