Robust Fourier ptychographic structured illumination microscopy (FP-SIM) using only 3 patterns

迭代重建 光学 计算机科学 噪音(视频) 傅里叶变换 计算机视觉 图像质量 显微镜 人工智能 帧速率 稳健性(进化) 算法 傅里叶分析 遮罩(插图) 物理 各向同性 相位恢复 噪声抗扰度 重建算法 编码(集合论) 信噪比(成像) 噪声数据 质量(理念) 帧(网络) 空间频率 图像处理 摄影术
作者
Chao Zuo,Jiaming Qian,Ying Bi,Jixiang Zhou,Yu Cao,Yefeng Shu,Yongtao Liu,Haigang Ma,Hongjun Wu,Qian Chen
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-7993627/v1
摘要

Abstract Structured illumination microscopy (SIM) holds promising prospects for live-cell super-resolution imaging thanks to its excellent photon efficiency. However, conventional SIM reconstructions require at least 9 exposures for isotropic lateral super-resolution, the compromised imaging speed caused by which still poses significant challenges for live-cell imaging. Moreover, the reliance on precise illumination parameters that are computationally complex to obtain and the vulnerability to low signal-to-noise ratios (SNRs) render conventional SIM reconstructions susceptible to artifacts that degrade fidelity. In this work, we propose a robust Fourier ptychographic SIM reconstruction framework (FP-SIM), which iteratively recovers high-quality, artifact-free super-resolution target with easy access to reliable illumination parameters using only 3 patterns. We demonstrate that FP-SIM can perform robust super-resolution reconstruction with superior overall performance in terms of imaging speed, reconstruction quality, and noise immunity over conventional 9-frame reconstructions at low SNRs. In particular, the open-source code of FP-SIM and associated datasets are provided. Further combined with algorithm acceleration, we achieve real-time super-resolution imaging with a reconstruction frame rate of about 3.75 Hz for a 1024×1024 region of interest. Faster imaging speed, less photodamage, higher reconstruction quality and better noise immunity make FP-SIM a promising tool for studying protein dynamics in live cells.
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