结构照明光学三维超分辨显微技术研究

Structured illumination microscopy (SIM) as a wide-field imaging technology can break the diffraction limit to reach super-resolution. Currently, it has wide applications in the study of biology. However, the super-resolution capability of SIM is limited in lateral. By using of a 3D structured light or light-sheet or Bessel light in SIM will get super-resolution in 3D, but the signal noise ratio (SNR) is usually low due to the inhomogeneity of those light. Notably, except super-resolution ability, SIM also can be utilized to generate optical sectioning as Confocal microscopy. In this project, we plan to propose a new 3D structured illumination super-resolution microscopy, which employ a data fusion algorithm to combine super-resolution SIM with optical sectioning SIM. Comparing with other 3D super-resolution microscopies, the proposed method allows for imaging of samples with high resolution both in spatial and temporal, which makes a new way for investigation of dynamic biological processes and biochemical imaging.

结构照明显微（SIM）作为一种基于宽场、能突破光学衍射极限的超分辨技术，在生物医学观测成像领域有着广泛的应用。然而，SIM的超分辨能力仅限于二维平面，虽然采用三维结构光或与片光、贝塞尔光等结合可以产生三维超分辨，但这些光束的空间分布不均匀影响了成像信噪比。值得注意的是，除了超分辨，采用结构照明也能获得类似于共聚焦（Confocal）显微的光切片。本项目拟提出一种数据融合处理算法将超分辨SIM与光切片SIM相结合，形成一种基于结构照明三维超分辨显微技术。与其它的三维超分辨显微相比，该技术兼顾高的空间和时间分辨率，更适合活体生物组织的实时成像。本项目的研究将为生物医学成像领域的应用提供一种新的思路和技术手段。

针对当前三维显微技术成像速度慢、成像质量差、不能三维超分辨的问题，项目提出了一种基于结构照明的三维超分辨显微技术。与其它同类三维超分辨显微技术相比，该技术兼顾高时、空分辨率，更适合活体生物组织的实时成像。项目发展了SIM图像融合重构理论，首次将超分辨SIM和光切片SIM理论统一，同时实现了超分辨和光切片显微成像；提出的精确测量光场参量的超分辨IRT算法，即使在低对比度结构照明下也能实现超分辨图像的高质量重构，更适合于活体生物成像；提出的基于HSV空间的彩色切片技术，使结构照明光切片重构图像增添了丰富彩色信息；提出的基于希尔伯特变换的光切片算法SHT，精简了30%的原始数据获取量，有效改善了成像速度；针对介观微小动物，使用系统实现了大视场、快速、高分辨的三维显微成像；系统总结了结构光照明显微中的超分辨图像重建算法和实验偏振控制研究。. 项目执行期间，在Sci. Rep., Front. Zool., Plos One, J. Biomed. Opt., 等期刊上发表论文6篇，其中SCI 5篇，EI 1篇；1篇论文被1部英文专著关注引用，1篇论文的研究结果被维基百科全书用来介绍专业词条，2篇论文受邀收录在期刊专题中；授权国家发明专利1项，申请美国发明专利1项；参加国际交流3人次；培养博士毕业生1人，临近博士毕业2人；1人获中科院院长特别奖，1人获陕西省优秀博士论文奖，1人获国家奖学金和中科院“朱李月华”优秀博士生奖；研究成果获2016年中国光学工程学会“科技创新”二等奖。