超分辨熒光顯微成像技術打破了光學衍射極限的桎梏，使人類得以用無損的方式窺探納米尺度的微觀生物世界，為人類探索生命的奧秘提供了前所未有的手段。其中，超分辨結構光照明顯微鏡（super-resolution structured illumination microscopy, SR-SIM）具有更快的成像速度、更低的光毒性以及更弱的光漂白，在活體細胞的長時間動態觀測中備受青睞。然而，在進行活細胞成像時，背景熒光不僅會導致SR-SIM圖像對比度急劇下降，同時還會產生大量周期性的計算偽影，為分辨活細胞中的精細結構帶來了巨大的挑戰。同時，傳統SR-SIM復雜、耗時的重構算法使得實現實時的超分辨觀測變得困難重重。通常情況下，SR-SIM用戶必須首先使用寬場模式搜索感興趣的視場，然后切換到SR-SIM模式采集原始SIM圖像，接著將SIM原始圖像導入圖像后處理程序，等待程序完成圖像重建，最后才能觀察到樣品的超分辨圖像。這種繁瑣的工作流程對于顯微鏡操作者來說無疑十分低效，不可避免地阻礙了SR-SIM在生物學實驗室中的廣泛應用。
傳統Wiener-SIM算法和JSFR-SIM算法重建流程對比示意圖
雷銘教授團隊提出了一種空頻域混合式重建算法(Joint Space and Frequency Reconstruction, JSFR-SIM)，極大地提高了SR-SIM的圖像重建速度，解決了傳統重建方法難以實現實時重建的問題。同時，該算法還能夠有效抑制活細胞成像時的背景熒光與周期性的計算偽影，為解析活細胞中細胞器的精細結構觀測提供了極大的便利。經測試，該方法將SR-SIM的圖像重建時間縮短到毫秒級別并實現了超分辨圖像的實時顯示，重建速度比目前廣泛使用的Wiener-SIM算法快了近2個數量級。理論模擬和實驗觀測均證明該方法在提升重建速度的同時并不會損失任何圖像質量。
JSFR-SIM可實時顯示微管和線粒體動態
另外，雷銘教授團隊還將該算法與自行研制的超分辨結構光照明顯微鏡結合，對活體COS-7細胞進行了實時觀測，并捕捉到了微管的動態組裝與解體過程以及快速的線粒體制管過程。該方法為實時觀察活細胞中細胞器與生物大分子的動態過程提供了一種快速的重建手段，有望大幅簡化超分辨顯微鏡使用者的工作流程，提高相關科學工作者的成像效率，從而促進SR-SIM在生物醫學實驗室的廣泛應用。相關技術目前已授權和正在申請多項國家發明專利，系統工程樣機也已經研制完成。
快速實時超分辨結構光照明顯微成像系統原理樣機
相關研究成果日前以《超分辨結構光照明顯微圖像的高速重構》（High-speed image reconstruction for optically sectioned, super-resolution structured illumination microscopy）為題，在線發表于中國激光雜志社與國際光學工程學會(SPIE)聯合創辦的高起點新刊《先進光子學》（Advanced Photonics）。論文的第一單位為西安交通大學，第一作者為新講師汪召軍博士，通訊作者為雷銘教授。此外，物理學院博士后趙天宇、北京大學生命學院博士后蒿慧文等也參與了研究工作。研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、西安交通大學中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項資金、西安交通大學青年拔尖人才計劃項目、陜西省重點科技創新團隊項目的支持。
雷銘教授團隊長期從事超分辨光學顯微成像技術及其在生物學中的應用研究，所研制的結構光照明超分辨顯微鏡具有國際領先水平，與國內外多家科研機構開展了研究合作。團隊2021年獲批“先進光學成像融合人工智能”陜西省重點科技創新團隊。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1117/1.AP.4.2.026003
雷銘教授團隊主頁：
http://gr.xjtu.edu.cn/web/ming.lei
