2025/12/20Grupa badawcza kierowana przez prof. Yiming Li z Southern University of Science and Technology (SUSTech) zajęła się kluczowymi wyzwaniami w zastosowaniu mikroskopii lokalizacyjnej pojedynczych cząsteczek (SMLM) do obrazowania o wysokiej przepustowości i superrozdzielczości, wprowadzając LiteLoc, skalowalną i lekką platformę analityczną opartą na uczeniu głębokim. Praca zatytułowana „Skalowalne i lekkie uczenie głębokie dla wydajnej mikroskopii lokalizacyjnej pojedynczych cząsteczek o wysokiej dokładności” została opublikowana w międzynarodowym czasopiśmie Nature Communications.
Innowacje LiteLoc
SMLM rekonstruuje obrazy o superrozdzielczości poprzez precyzyjną lokalizację pojedynczych cząsteczek fluorescencyjnych w dziesiątkach tysięcy stochastycznych migających ramek. Uzyskane w ten sposób wolumeny danych stawiają wysokie wymagania pod względem wydajności obliczeniowej, przepustowości danych i skalowalności systemu.
Zaprojektowana wokół głównych założeń, jakimi są wydajność w czasie rzeczywistym, wysoka dokładność lokalizacji i wysoka przepustowość, infrastruktura LiteLoc eliminuje kilka krytycznych wąskich gardeł w rekonstrukcji SMLM o wysokiej przepustowości:
Dzięki integracji reprezentacji neuronalnych z a priori opartymi na fizyce, PAMR wykazuje systematyczną poprawę w porównaniu z tradycyjnymi podejściami:
Przyspieszona rekonstrukcja objętościowa:Czas rekonstrukcji pojedynczej objętości 3D (585 × 585 × 120 wokseli) został skrócony z 250 s do 28 s, co odpowiada około 10-krotnemu wzrostowi szybkości rekonstrukcji.
Zwiększenie rozdzielczości poza granice dyfrakcjit: Wykorzystując półkulisty system oświetleniowy z 66 diodami LED w połączeniu z obiektywem 40×/0,95 NA, PAMR osiąga rozdzielczość półskoku wynoszącą 137 nm w kierunku poprzecznym i 550 nm w kierunku osiowym, co stanowi około dwukrotną poprawę w stosunku do ograniczenia dyfrakcji obiektywu.
Solidna wydajność w warunkach rozproszonego widokuRekonstrukcje o wysokiej wierności są zachowane przy redukcji obrazu nawet o 75%. Po zmniejszeniu liczby kątów oświetlenia ze 120 do 30, jakość rekonstrukcji pozostaje stabilna, a wartości SSIM znacznie przewyższają te uzyskiwane konwencjonalnymi metodami FPT.
Obsługa kamery Dhyana 400BSI V3 sCMOS dla LiteLoc Innovations
Wysoka wierność akwizycji sygnału i stabilność obrazowania mają kluczowe znaczenie dla walidacji eksperymentalnej zaawansowanych algorytmów mikroskopii obliczeniowej. TucsenFL 9BWkamera naukowa zapewnia kluczowe możliwości sprzętowe, które obsługują strukturę PAMR.
System LiteLoc SMLM wykorzystuje kamerę Tucsen Dhyana 400BSI V3 sCMOS jako główny detektor obrazu. Połączenie wysokiej wydajności sygnału do szumu i dużej szybkości odczytu zapewnia kluczowe wsparcie sprzętowe dla osiągnięcia teoretycznych ograniczeń lokalizacji i umożliwia walidację w pętli zamkniętej między rozwojem algorytmu a obrazowaniem eksperymentalnym.
1. Wyjątkowy stosunek sygnału do szumu
Dzięki sprawności kwantowej (QE) sięgającej 95%, Dhyana 400BSI V3 maksymalizuje efektywny odbiór sygnałów fluorescencji pojedynczych cząsteczek. Typowy szum odczytu na poziomie 1,1 e⁻ (RMS) zapewnia solidny stosunek sygnału do szumu w warunkach niskiej liczby fotonów, tworząc solidną podstawę dla LiteLoc do osiągnięcia dokładności lokalizacji bliskiej teoretycznym limitom.
2. Szybkie wyjście danych
Dhyana 400BSI V3 zapewnia obrazowanie w pełnej rozdzielczości z szybkością do 100 kl./s przy rozdzielczości 2048 (H) × 2048 (V), co odpowiada szybkości generowania surowych danych wynoszącej około 550 MB/s (11 bitów). Przepustowość ta jest zbliżona do szybkości analizy LiteLoc wynoszącej 567 MB/s, co bezpośrednio wspiera cele systemu w zakresie obrazowania o wysokiej przepustowości.
Odniesienia
Fei, Y., Fu, S., Shi, W. i in. Skalowalne i lekkie uczenie głębokie dla wydajnej, precyzyjnej mikroskopii lokalizacyjnej pojedynczych cząsteczek. Nat Commun 16, 7217 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62662-5
Informacja o prawach autorskichNiniejszy artykuł ma na celu dostarczenie informacji o zastosowaniach kamer naukowych. Fragmenty treści pochodzą z odpowiednich opublikowanych prac naukowych. Wszelkie prawa autorskie należą do autorów. Prosimy o podanie źródła przy cytowaniu lub ponownym wykorzystywaniu tego materiału.
