多種成像模式：不犧牲信噪比，同步提升分辨率與光學(xué)切片能力

該研究由Alessandro Zunino、Giacomo Garrè、Eleonora Perego、Sabrina Zappone、Mattia Donato、Nadine Vastenhouw 和 Giuseppe Vicidomini 共同完成，研究成果以“Structured detection for simultaneous super-resolution and optical sectioning in laser scanning microscopy”為題，于2025年6月在《Nature Photonics》期刊在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01研究背景與原理
激光掃描顯微鏡的三維成像能力關(guān)鍵在于光學(xué)切片，即分離焦平面以外信號(hào)的能力。共聚焦顯微鏡通過(guò)物理針孔實(shí)現(xiàn)部分切片，但分辨率和信噪比之間存在明顯制約。ISM 技術(shù)使用陣列探測(cè)器（如SPAD陣列）記錄多幅共聚焦類圖像，再通過(guò)計(jì)算融合成一幅圖像。傳統(tǒng)ISM重建算法如自適應(yīng)像素重分配（APR）或多圖像反卷積雖可提高分辨率，卻無(wú)法有效抑制離焦光，限制了其在厚樣本中的應(yīng)用。

s²ISM 方法的核心在于將ISM視為結(jié)構(gòu)照明顯微鏡的一種形式，通過(guò)物理模型反演與最大似然估計(jì)，顯式分離圖像中的聚焦與離焦成分。該方法基于以下觀察：不同探測(cè)器單元所記錄的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）不僅存在空間形態(tài)差異，其強(qiáng)度分布也隨樣本深度變化，形成所謂的“指紋特征”。s²ISM 利用這一特性，在迭代重建過(guò)程中同時(shí)估計(jì)聚焦平面和離焦平面的圖像，最終丟棄離焦成分，獲得高保真的超分辨率切片圖像。

結(jié)果表明，s²ISM 顯著提高了橫向分辨率，成功分辨出間距低于衍射極限的線對(duì)圖案；其光學(xué)切片能力較傳統(tǒng)ISM提高了一倍，并可有效去除背景熒光，即使這些熒光與聚焦信號(hào)壽命相同。此外，s²ISM 還支持技術(shù)上采樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)字超分辨率，允許在較低采樣率下完成高質(zhì)量成像，有助于減少光毒性和掃描時(shí)間。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
01突破傳統(tǒng)制約
s²ISM 的主要突破在于徹底解決了ISM技術(shù)中“光學(xué)切片-信噪比”的權(quán)衡問(wèn)題。傳統(tǒng)方法需人為限制探測(cè)器尺寸以換取一定切片能力，導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重?fù)p失；s²ISM 則充分利用整個(gè)探測(cè)器陣列接收的光子信息，通過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)光學(xué)切片，同時(shí)保持高探測(cè)效率和信噪比。

02技術(shù)創(chuàng)新
s²ISM 的核心創(chuàng)新在于提出了一個(gè)統(tǒng)一的反演模型，將多探測(cè)器圖像視為結(jié)構(gòu)探測(cè)的結(jié)果，并利用指紋編碼的軸向信息分離信號(hào)。該模型兼容多種成像模式（包括單光子、多光子激發(fā)和FLIM），且不依賴硬件改動(dòng)，可直接應(yīng)用于現(xiàn)有配備陣列探測(cè)器的激光掃描系統(tǒng)。

03應(yīng)用價(jià)值
該方法特別適合活細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間成像、厚組織深層觀測(cè)以及多色熒光與壽命混合成像場(chǎng)景。其能力在斑馬魚胚胎（深達(dá)40 μm）和小腦切片中的表現(xiàn)尤其突出，顯示出在復(fù)雜生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高分辨率、高對(duì)比度成像的巨大潛力。

總結(jié)與展望
s²ISM 作為一種計(jì)算成像方法，成功統(tǒng)一了超分辨率、光學(xué)切片和高信噪比這三個(gè)傳統(tǒng)上難以兼得的目標(biāo)。其基于物理模型的反演框架不僅具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶�礎(chǔ)，還具備高度的通用性，可擴(kuò)展至多光子、熒光壽命、光譜成像等多種模態(tài)。未來(lái)，s²ISM 有望整合現(xiàn)代去噪算法與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步提升在強(qiáng)散射、高像差環(huán)境中的成像性能。此外，由于其開源實(shí)現(xiàn)和兼容性，s²ISM 或?qū)⒊蔀樯�物醫(yī)學(xué)研究中高分辨率體成像的新標(biāo)準(zhǔn)工具，推動(dòng)從細(xì)胞器動(dòng)態(tài)觀測(cè)到組織水平分析的多尺度研究進(jìn)展。

DOI:10.1038/s41566-025-01695-0.