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由于快速、低光毒性、高染料兼容性的優勢，結構光照明顯微成像（SIM）成為細胞器動態觀測最有力的超分辨顯微技術。隨著SIM的發展，國內外專家學者們一系列關于SIM的算法工作，如Open-SIM、fairSIM、Hessian-SIM、HiFi-SIM等，這些開源軟件也促進了一系列的硬件進展，如SLM-SIM、DMD-SIM，以及商業化的系統如Airy-SIM等，算法與硬件的結合使得SIM領域變得開放而充滿活力。2008年，Gustafsson課題組首次提出了3DSIM的概念，3DSIM相對于2DSIM有著縱向平面分辨率的兩倍提升，極大地消除了2DSIM中常見的離焦背景并獲得了全細胞成像的能力。但由于3DSIM的復雜性，3DSIM的發展總體而言落后于2DSIM，其算法要么存在于閉源的商用系統中，要么基于傳統的Weiner-3DSIM，用戶友好度較低且偽影較為嚴重。因此，一個開源且強大的3DSIM軟件急需被開發，以適應3DSIM日益增長的發展需求。
因此，未來技術學院席鵬教授課題組繼在提出開源2DSIM重建平臺Open-SIM后（IEEE JSTQE2018），開發了全新的開源3DSIM重建平臺——Open-3DSIM，這一工作近期發表在Nature Methods期刊。與Open-SIM相比，Open-3DSIM建立在MATLAB，Fiji以及Exe軟件平臺上，以供不同需求的用戶使用。它具有高保真、低偽影的優勢，在低信噪比條件下也有著很好的重建效果。此外，偏振偶極子成像的引入使得Open-3DSIM具有偏振成像的能力。?
圖1. a，低信噪比、低調制度條件下通過±1級與±2級頻譜尖峰點進行協同參數估計。b，根據系統光學轉換函數與估計的參數設計的各類頻譜優化濾波器。c，Open-3DSIM與寬場圖像（WF），單層3DSIM算法（HiFi-SIM）的對比以及基于Open-3DSIM的偶極子取向解析（pOpen）為了提高3DSIM的重建效果，席鵬課題組首次提出了自適應參數估計方法，通過正負一級與正負二級頻率尖峰點進行協同參數估計，極大地提高了低信噪比、低調制度條件下3DSIM參數估計的準確性。同時設計了一系列頻域濾波操作進行偽影的抑制與弱細節的保留，包括設計陷波函數抑制六角偽影，設計一級濾波函數抑制旁瓣與振鈴偽影，設計二級濾波函數保留細節信息并提高重建分辨率等。這些優化在確保重建保真性的同時，極大地抑制了3DSIM重建的離焦背景與各類偽影，使得Open-3DSIM的重建效果全面優于現有的各類重建算法（AO-3DSIM、4BSIM、SIMnoise等）與商用重建軟件（GE | OMX等）。尤其在極低信噪比條件下，Open-3DSIM和其他算法在低信噪比條件下的均方誤差（MAE）和信噪比（SNR）相近，這展示了Open-3DSIM在低信噪比情況下優越的重建性能。
此外，席鵬課題組根據熒光對不同角度偏振光發射強度不同的原理，將熒光偏振取向信息引入3DSIM重建的后處理當中，使得在無需任何硬件改動的前提下即可獲取各類生物樣本的偶極子取向信息。如圖2所示，由于Open-3DSIM低偽影、高分辨率的優勢，他們成功對Cos-7細胞進行了三色成像，并解析了線粒體嵴的三維結構與其動態分離融合過程，獲得了5um小鼠腎切片微絲細胞器的三維偶極子取向信息。Open-3DSIM提供了橫向/縱向超分辨，多色，長時程以及偶極子取向的六維（XYZlθT）重建技術，為亞細胞器的多維動態成像提供了有利工具。
圖2. Open-3DSIM建立橫向/縱向超分辨、多色、動態、偏振的六維成像模態。a，重建多色Cos-7細胞樣本，b，解析Cos-7細胞三維線粒體的分裂、融合、凋亡，以及c, 獲得小鼠腎切片微絲結構的熒光偶極子信息Open-3DSIM并不局限于單一顯微鏡平臺，它廣泛適用于GE | OMX，Nikon | N-SIM等商用或各類自制的3DSIM系統。它與各種現有的基于正則/反卷積/機器學習的圖像優化方法完全兼容，其優越的性能、模塊化的設計、極高的用戶友好性為下一代3DSIM技術提供了堅實的軟件基礎。席鵬希望Open-3DSIM能夠成為國際3DSIM重建的標準，以促進多維活細胞超分辨成像技術的進一步發展。這一工作于2023年7月20日發表在Nature Methods，其中北京大學未來技術學院博士生曹睿杰為第一作者。北京大學生命儀器平臺為論文提供了硬件平臺，艾克斯馬賽大學（Aix Marseille University）的Christophe Leterrier博士提供了N-SIM數據。李輝教授（中國科學院蘇州醫工所）、Marcel Mueller教授（魯汶大學）、邵林教授（耶魯大學）對本文進行了細致審稿并提出了建設性的寶貴意見。本工作受到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃等項目的資助。（來源：北京大學）論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-01958-0
文中的相關代碼與重建平臺公布于Github：https://github.com/Cao-ruijie/Open3DSIM
作者們還開源了3DSIM的示例數據于Figshare：https://figshare.com/articles/dataset/Open_3DSIM_DATA/21731315，供用戶測試使用。來源：光行天下
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