2020年7月14日

来自尖端显微镜的更快,更好的图像

乍看上去

  • 新技术大大减少了处理来自荧光显微镜的复杂图像所需的时间,并提高了其质量。
  • 快速的图像处理可以将时间从几个月缩短到几小时,从而使更多的科学家可以访问高分辨率数据。
老鼠脑切片的3D重建。尼比

老鼠脑切片的3D重建。尼比

显微镜使我们能够窥视细胞和生物体内。尖端的显微镜可以捕获穿过鱼类的血细胞。他们可以追踪蠕虫胚胎中发育的神经元。它们是重要的研究工具,技术也在迅速发展。

与直接来自显微镜的图像相比,几种方法可以使研究人员创建更好的图像。称为反卷积的过程可以将变形固定到由显微镜引起的3D对象上。它涉及使用计算机算法来减少模糊并创建更清晰的图像。反卷积还可以用于获得更准确的测量结果。另一种称为多视图融合的技术将样本的多个视图结合在一起以创建复杂的3D图像和视频。

这些过程的问题在于它们需要大量的计算能力和时间。显微镜产生许多高分辨率数据。虽然可以在几分钟内捕获图像和视频,但它们的大小通常为TB级。他们可能需要数周或数月的处理时间才能使用。

美国国立卫生研究院国家生物医学成像与生物工程3d之家(NIBIB)的Hari Shroff博士领导的研究人员致力于减少用尖端显微镜处理这些复杂图像所需的时间。他们在算法和软件设计上的进步可使图像处理速度比以前的方法快数千倍。研究小组在 自然生物技术 2020年6月29日。

首先,该团队通过修改传统算法加快了反卷积过程。这使该过程至少快了10倍。他们使用的方法已被提议用于医学成像的其他领域。但是,这是它第一次成功适应 荧光显微镜。荧光显微镜使用的染料在一定的光下可以揭示样品的特定部分,并且还使研究人员能够看到不同元素之间如何相互作用。

鼠标胃的3D重建。尼比

鼠标胃的3D重建。尼比

接下来,研究人员减少了将样品的多个视图定位和缝合在一起所需的时间。他们发现,使用专用于3D渲染的专用计算机芯片(称为图形处理单元),使该过程比传统的中央处理单元快了10到100倍。这种进步涉及“并行化”,有时在超级计算中使用。代替一个接一个地处理每个单独的功能,可以同时执行较小的任务。

最后,研究人员表明,他们可以使用神经网络(一种人工智能)来进一步减少处理数据的时间。研究人员训练了神经网络,以比其他方式更快地生成更清晰和更高分辨率的图像。

该团队在从单细胞到厚组织的一系列样本中测试了这些进展。他们还表明,该技术在最新的显微镜上提高了速度和图像质量,后者依靠原始数据的后处理来创建3D图像。

Shroff说:“获取现代成像数据有点像从烟火中喝酒。” “鉴于这些显微镜可以产生大量数据,这些方法有助于我们更快地获取有价值的生物学信息,这是必不可少的。”

相关链接

参考文献: 用于光学显微镜的快速图像去卷积和多视图融合。 郭M,李Y,苏Y,Lambert T,Nogare DD,Moyle MW,Duncan LH,Ikegami R,Santella A,Rey-Suarez I,Green D,Beiriger A,Chen J,Vishwasrao H,Ganesan S,Prince V,沃特斯(Waters JC),安农齐亚塔(Annunziata CM),哈夫纳(Hafner M),华盛顿州莫勒(Mohler),基特尼斯(Chitnis)AB,阿帕迪亚(Upadhyaya A),乌斯丁(Usdin TB),鲍兹(Bao Z),科隆-拉莫斯(Colón-RamosD),拉里维耶尔(La Riviere P),刘海(L. 纳特生物技术公司。 2020年6月29日。doi:10.1038 / s41587-020-0560-x。 PMID:32601431。

资金: 美国国立卫生研究院国家生物医学影像与生物工程3d之家(NIBIB),美国过敏与传染病3d之家(NIAID),美国关节炎与肌肉骨骼与皮肤疾病3d之家(NIAMS),美国儿童健康与人类发展3d之家(NICHD),美国国家3d之家精神卫生(NIMH),国家癌症3d之家(NCI),国家推进转化科学中心(NCATS)和国家神经系统疾病和中风3d之家(NINDS),国家普通医学科学3d之家(NIGMS)及其办公室主任(OD);国家自然科学基金;国家重点技术研究发展计划;国家科学基金会;海洋生物实验室; Chan Zuckerberg Initiative;硅谷社区基金会。