Evaluation and development of deep neural networks for image super-resolution in optical microscopy

显微镜 计算机科学 人工智能 人工神经网络 光学显微镜 分辨率(逻辑) 计算机视觉 纳米技术 光学 物理 材料科学 扫描电子显微镜
作者
Chang Qiao,Di Li,Yuting Guo,Chong Liu,Tao Jiang,Qionghai Dai,Dong Li
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:18 (2): 194-202 被引量:453
标识
DOI:10.1038/s41592-020-01048-5
摘要

Deep neural networks have enabled astonishing transformations from low-resolution (LR) to super-resolved images. However, whether, and under what imaging conditions, such deep-learning models outperform super-resolution (SR) microscopy is poorly explored. Here, using multimodality structured illumination microscopy (SIM), we first provide an extensive dataset of LR-SR image pairs and evaluate the deep-learning SR models in terms of structural complexity, signal-to-noise ratio and upscaling factor. Second, we devise the deep Fourier channel attention network (DFCAN), which leverages the frequency content difference across distinct features to learn precise hierarchical representations of high-frequency information about diverse biological structures. Third, we show that DFCAN's Fourier domain focalization enables robust reconstruction of SIM images under low signal-to-noise ratio conditions. We demonstrate that DFCAN achieves comparable image quality to SIM over a tenfold longer duration in multicolor live-cell imaging experiments, which reveal the detailed structures of mitochondrial cristae and nucleoids and the interaction dynamics of organelles and cytoskeleton.
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