Deep learning-enhanced light-field imaging with continuous validation

薄层荧光显微镜 计算机科学 人工智能 卷积神经网络 深度学习 吞吐量 计算机视觉 光场 显微镜 迭代重建 人工神经网络 光学 物理 无线 电信 扫描共焦电子显微镜
作者
Nils Wagner,Fynn Beuttenmueller,Nils Norlin,Jakob Gierten,Juan Carlos Boffi,Joachim Wittbrodt,Martin Weigert,Lars Hufnagel,Robert Prevedel,Anna Kreshuk
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:18 (5): 557-563 被引量:110
标识
DOI:10.1038/s41592-021-01136-0
摘要

Visualizing dynamic processes over large, three-dimensional fields of view at high speed is essential for many applications in the life sciences. Light-field microscopy (LFM) has emerged as a tool for fast volumetric image acquisition, but its effective throughput and widespread use in biology has been hampered by a computationally demanding and artifact-prone image reconstruction process. Here, we present a framework for artificial intelligence–enhanced microscopy, integrating a hybrid light-field light-sheet microscope and deep learning–based volume reconstruction. In our approach, concomitantly acquired, high-resolution two-dimensional light-sheet images continuously serve as training data and validation for the convolutional neural network reconstructing the raw LFM data during extended volumetric time-lapse imaging experiments. Our network delivers high-quality three-dimensional reconstructions at video-rate throughput, which can be further refined based on the high-resolution light-sheet images. We demonstrate the capabilities of our approach by imaging medaka heart dynamics and zebrafish neural activity with volumetric imaging rates up to 100 Hz. A deep learning–based algorithm enables efficient reconstruction of light-field microscopy data at video rate. In addition, concurrently acquired light-sheet microscopy data provide ground truth data for training, validation and refinement of the algorithm.
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