High-throughput 3D super-resolution imaging in deep tissue

吞吐量 计算机科学 人工智能 超分辨率 计算机视觉 高分辨率 地质学 遥感 图像(数学) 电信 无线
作者
Zhenhong Du,Jiajia Chen,Chunyan Gao,Jiayu Li,Qin Ru,Yao Zheng,Wei Gong,Ke Si
标识
DOI:10.1101/2025.03.07.641978
摘要

Fluorescence images obtained with optical microscopes intrinsically suffer from blur and noise, which can be partially reversed by the deconvolution process. However, the deconvolution process is ill-conditioned, leading to a trade-off between detail preservation and noise suppression. Here, we develop 3D-FUDIP to fully decouple the deconvolution process into two parts: deblurring and denoising, achieving an 8-fold improvement in spatial resolution. By adopting the Poisson model, which obeys the quantum nature of photons, our 3D-FUDIP can be successfully applied to various noise conditions, especially low-light conditions where the photon number is generally extremely small. The results show that our 3D-FUDIP improves the SNR by up to 6-fold with only a one-fifth photon budget. Besides, 3D-FUDIP boosts the spatial bandwidth product (SBP) by one order of magnitude, allowing more spine details to be resolved within a larger imaging volume. By synergizing deep learning with these advances, we propose 3D-FUDIPn to further improve the imaging resolution. We demonstrate 3D-FUDIPs performance in various imaging systems, including confocal, two-photon, and light-sheet microscopes, showing compatibility and potential applications in biological science.

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