Алгоритм AIM улучшает изображения микроскопов сверхвысокого разрешения в реальном времени

Новый алгоритм обработки удаляет шум из данных оптического микроскопа в реальном времени, позволяя ученым отслеживать отдельные молекулы более чем в 10 раз точнее, чем раньше.

Исследователи из Университета Иллинойса представили алгоритм adaptive intersection maximization (AIM), который удаляет высокочастотный шум из данных микроскопа сверхвысокого разрешения гораздо быстрее стандартных методов. Результаты опубликованы в Science Advances.

Проблема шума: Техника микроскопии с локализацией одиночных молекул позволяет визуализировать структуры молекулярного масштаба, но на практике её ограничивает неконтролируемый шум или «дрейф», который размывает изображения.

• Низкочастотный дрейф (например, от ходьбы) удаляют многие.
• Высокочастотный дрейф (микроскопические вибрации) удалять сложно — стандартные методы на основе корреляции изображений требуют дней вычислений даже на суперкомпьютерах.

Как работает AIM: Алгоритм сравнивает соседние кадры, помещая каждую точку данных в центр круга (радиус которого определяется точностью локализации), и ищет точки внутри этого круга в других кадрах. Перекрывающиеся точки в «радиусе пересечения» объединяются в одну локализацию. Процесс повторяется с объединёнными точками.

Ключевые преимущества AIM:

• Скорость: Шаги алгоритма используют минимум вычислительных ресурсов и выполняются быстрее, чем время захвата камеры микроскопа. Коррекция дрейфа происходит практически в реальном времени.
• Точность: В тестах на смоделированных данных и структурах ДНК-оригами алгоритм достиг точности локализации менее 1 нанометра. Это намного выше, чем у стандартных методов (около 10 нанометров).
• Доступность: Алгоритм не требует огромной вычислительной мощности и может работать на обычном ноутбуке.

Перспективы: Лаборатория планирует внедрить AIM в разрабатываемые методы высокопроизводительной микроскопии для улучшенной диагностики заболеваний. Программное обеспечение будет публично доступно, чтобы любой исследователь мог легко повысить разрешение своих изображений с помощью этой постобработки.