[论文解读] Smart-aggregation imaging for single molecule localization with SPAD cameras

István Gyöngy, A. Davies+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2016

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 8

一句话总结

本文提出智能聚合成像方法，以提升单分子定位显微镜（dSTORM/PALM）中SPAD相机的有效灵敏度。通过聚合SPAD阵列的二进制光子探测帧，该方法在光子探测效率较低的情况下仍能显著提升信号恢复能力，展示了其在未来高速动态成像中超越EMCCD和sCMOS的潜力。

ABSTRACT

SPAD cameras offer single photon detection sensitivity, high frame rates and zero readout noise. They are a core technology for widefield FLIM, but have further potential in ultra-fast imaging applications. However, in practice sensitivity falls behind that of EMCCD and sCMOS devices due to the lower photon detection efficiency of SPAD arrays. This paper considers the application of a binary SPAD camera to the capture of blinking molecules as part of a superresolution (dSTORM/PALM) experiment. Simulation and experimental studies demonstrate that the effective sensitivity of the camera can be improved significantly by aggregation of signal only binary frames. The simulations also indicate that with future advances in SPAD camera technology, SPAD devices could in time outperform existing scientific cameras when capturing fast temporal dynamics.

研究动机与目标

• 解决SPAD相机在单分子定位显微镜中与EMCCD和sCMOS相比光子探测效率较低的问题。
• 克服尽管具有零读出噪声和高帧率等优势，SPAD成像仍存在的实际灵敏度差距。
• 开发一种信号处理策略，通过智能聚合二进制帧来提升有效灵敏度。
• 证明SPAD相机利用该方法在超分辨成像中捕捉快速时间动态的可行性。
• 探索SPAD技术在未来超高速成像应用中超越现有科学相机的长期潜力。

提出的方法

• 利用SPAD阵列的二进制输出，其中每个像素将光子到达记录为1位信号。
• 对连续的二进制帧进行时间聚合，以在时间上累积光子事件。
• 实施智能聚合算法，优先处理并保留闪烁分子的空间定位信息。
• 在各种条件下模拟SPAD相机性能，以评估灵敏度的提升效果。
• 使用SPAD相机在dSTORM/PALM成像中的实验数据验证结果。
• 从定位精度和信号恢复角度，将聚合后的SPAD性能与EMCCD和sCMOS进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 智能聚合二进制SPAD帧是否能有效提升SPAD相机在单分子定位中的有效灵敏度？
• RQ2 在定位精度和信号恢复方面，聚合SPAD成像的性能与EMCCD和sCMOS相比如何？
• RQ3 通过该聚合方法，SPAD相机在超分辨显微镜中能够多大程度上捕捉快速时间动态？
• RQ4 SPAD技术在未来超高速成像应用中超越现有科学相机的潜力有多大？
• RQ5 SPAD探测的二进制特性在聚合后对分子定位保真度有何影响？

主要发现

• 智能聚合二进制SPAD帧显著提升了有效灵敏度，补偿了较低的光子探测效率。
• 模拟结果表明，该方法即使在光子计数较低时也能实现可靠的单分子定位。
• 实验结果证实，通过聚合数据处理，SPAD相机成功实现了dSTORM/PALM成像。
• 该方法保持了空间分辨率，并实现了对闪烁分子的精确定位。
• 未来SPAD技术的进展有望使其实现超越当前EMCCD和sCMOS相机在高速动态成像中的性能。
• 该方法通过时间积分二进制事件，有效缓解了SPAD阵列中填充因子低和量子效率有限的影响。