Dynamic Signal Enhancement助力STELLARIS快速成像

2021-11-11 18:06:52, 赵梦路徕卡显微系统(上海)贸易有限公司

激光共聚焦显微镜以点扫描方式进行图像采集，由于针孔和特殊的成像方式，共聚焦图像具有分辨率高、信噪比好等优点。但点扫描成像在灵敏度-空间分辨率-时间分辨率三个方向呈三角关系，经常只能取其一方面优势而无法兼顾另外两面；在空间分辨率和灵敏度的要求越来越高的需求下，无限制提高扫描振镜频率导致像素驻留时间过短，最终导致共聚焦采集高动态变化的信号时图像质量差、信噪比低。那么，能不能在保持时间分辨率情况下不降低信噪比和空间分辨率呢？

图1 激光共聚焦显微镜图像采集三要素

DSE（Dynamic Signal Enhancement）是搭载在Leica最新STELLARIS共聚焦平台的动态信号增强技术，在不降低图像时间分辨率基础上极大提高图像信噪比。例如，细胞endosome研究需要极高的动态分辨能力，视频1为使用8KHz 共振扫描振镜进行高达50幅每秒的快速动态成像，根据共聚焦图像采集三要素在获得时间分辨率的情况下，空间分辨率和灵敏度都大幅度降低，所以图像看起来信噪比差。如何提高图像信噪比而不降低时间分辨率呢？

视频2为应用徕卡Dynamic Signal Enhancement技术后得到的高信噪比动态数据，从视频可以看出，囊泡运动速度没有降低，运动循迹性与普通快扫数据一致，说明应用DSE技术后可以不降低图像时间分辨率，但是图像质量大幅提高。

视频1 快速时间序列成像50fps

视频2 快扫+DSE 50fps

Hrab5a_GFP, vesicle dynamics in live cell imaging, Sample Courtesy of Dr. Sandra Ritz, Microscopy & Histology Core Facility, Institute of Molecular Biology gGmbH (IMB), Mainz, Germany. Transfection of EGFP by Marino Zerial

DSE（Dynamic Signal Enhancement）技术可以在Live图像预览和Acquisition图像采集过程中实时动态增强图像质量，其工作原理是借助多帧重复平均的方法，在Live预览情况下，利用前几帧和当前预览图像进行叠加计算；在图像采集过程中可以进行滚动平均计算来完成数据的信号增强。

图2 DSE在Live和Acquisition模型下工作原理

传统滚动平均技术虽然可以提高图像信噪比，但是当遇到高速运动目标时，传统滚动平均会参考大量高速动态帧数据，导致平均后高速运动目标出现重影、模糊等问题。如图3所示，高速运动的草履虫，利用传统滚动平均无法真实还原高速动态变化，出现模糊重影问题。那DSE如何解决上述问题呢？

图3 传统滚动平均处理高速运动信号的局限性

Leica DSE模块集成AiviaMotion机器学习图像增强技术，在处理高速动态变化图像时，运用机器学习在相邻图像之间插入附加帧，经过迭代可以得到目标物体的实际运动轨迹图像，从而增强动态信号的时间分辨率。如图3所示，SiR-Lysosome标记细胞后，共振扫描模式对囊泡进行快速动态信号采集，Raw data显示红框中的囊泡真实运动状态，但是图像信噪比较差；中间图像经过传统滚动平均后，信噪比大幅提高，但是高速运动的囊泡出现拖尾现象；右图是DSE和AiviaMotion共同处理后的，可以看到图像信噪比很高，同时囊泡没有拖尾现象，DSE和AiviaMotion联用可以还原真实信号运动轨迹。

图4 SiR-Lysosome 共振扫描+DSE+AiviaMotion应用

DSE+AiviaMotion不仅在单色成像中有很好效果，也可以应用到多色高速成像中。视频2-1为研究细胞线粒体运输和溶酶体成熟的应用，在共振扫描模式下，可以清楚观察线粒体和溶酶体运动，但是图像信噪比和分辨率均较差。右侧视频为应用DSE+AiviaMotion后，图像信噪比和分辨率大幅提高，达到可以分辨亚细胞器的水平，同时由于AiviaMotion的运用，快速运动的线粒体和溶酶体均没有出现拖影问题。

视频2-1 Resonant Scanner

视频2-2 RS+DSE（AiviaMotion）

Cell culture stained with Mitoview, SiR-lysosome and NIR750；Fast time-lapse imaging (6.4 volumes per second) on the STELLARIS confocal platform using the resonant scanner. Image series further enhanced with Dynamic Signal Enhancement (including AiviaMotion)；

Leica DSE模块完美整合到STELLARIS共聚焦平台LAS X软件中，打开XYT模式即可出现DSE设置模块，通过Frames和Weight可以动态实时提高图像信噪比。

对于采集完成的数据也可以在process中打开DSE进行后期信号增强处理，同时可以选择AiviaMotion进一步增强图像时间分辨率，还原图像真实运动轨迹。

Leica DSE技术深度整合到LASX软件中，不同于以往的后期滚动平均，DSE除可用于后期数据处理外还可以在实时预览时呈现高信噪比图像，DSE给我们提供了一个更直观的结果。DSE技术使快速扫描的共聚焦图像可用性大大提高。DSE技术包含动态信号增强和AiviaMotion，两者结合使用克服了传统Rolling average的问题，极大的提高了动态图像的信噪比和时间分辨率。在同时多色高速成像研究中，DSE可以和LIGHTNING技术结合为科研工作者提供高分辨率、高信噪比和高时间分辨率的结果。