[论文解读] Synchronization-based image reconstruction for three-dimensional wide-field confocal imaging of periodically moving objects beyond the frame rate

Kanta Adachi, Soyoka Hemmi+1 more|Figshare|Mar 2, 2026

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一句话总结

论文将基于同步的重建方法扩展到在显微镜帧率之外实现周期性运动对象的3D和2D广域共聚焦成像，使用具有函数发生器的同步方案。

ABSTRACT

We extend our previously proposed image reconstruction method, which allows confocal microscopes to capture periodically moving objects at frequencies beyond their frame rates, to three-dimensional and two-dimensional wide-field imaging. This extension is achieved by implementing a synchronization scheme between a confocal laser scanning microscope and a function generator to ensure consistent initial phase alignment across image sequences acquired at different focal depths or fields of view. The method was demonstrated by visualizing the three-dimensional motion of silica particles attached to an aluminum bar oscillating at 100 Hz and the two-dimensional wide-field response of colloidal particles subjected to periodic pulsed excitation. Quantitative single-particle analysis confirmed that the reconstructed images accurately captured the underlying particle dynamics. The extended approach requires no additional specialized hardware and can be readily integrated with conventional confocal microscopes. Thus, it extends the applicability of confocal imaging to the fast dynamics of periodic processes in biological and soft-matter systems.

研究动机与目标

• 在使用共聚焦显微镜的情况下，实现周期性移动对象在超出额定帧率的频率下的三维成像。
• 将方法扩展到跨越多个视野的二维广域成像。
• 确保在不同深度或位置获得的图像序列之间具有一致的相位对齐。

提出的方法

• 实现共聚焦激光扫描显微镜与函数发生器之间的同步，以固定序列之间的初始相位。
• 在每个深度或视野获取N张原始图像，将其重建为M张图像以校正相位失真。
• 在深度方向堆叠重建图像或在视野之间拼接，使用相同的相位信息。
• 采用基于相位的重建，通过在连续焦深处成像来恢复三维运动。
• 将该方法应用于一个振动臂的100 Hz谐波振动，以演示三维重建。
• 在多视野的二维广域成像中演示非谐波、脉冲激励。

实验结果

研究问题

• RQ1 相位对齐的重建是否可以将三维共聚焦成像扩展到超出名义帧率的周期性移动对象？
• RQ2 深度与视野之间的同步是否能够实现重建图像的体积一致性和广域拼接？
• RQ3 在高于帧率的频率下，使用重建可以多准确地捕捉和量化粒子动力学？
• RQ4 该方法是否与传统的共聚焦显微镜兼容且不需要额外的专用硬件？
• RQ5 该方法能否处理二维广域成像中的非谐波周期运动（脉冲激励）？

主要发现

• 重建在100 Hz的运动对象超出帧率时，获得了准确的三维表示。
• 在三维轨迹中追踪的粒子在振动方向上呈现出主要振荡，振幅与输入运动相匹配。
• 在二维广域成像中，脉冲波激发期间沿x方向的位移揭示了距离相关的衰减。
• 有效的时间分辨率达到0.004 s，对0.4 s周期的分析可用于分析滞后粒子响应。
• 该方法实现了跨深度和跨视野的相位对齐堆叠与拼接，而无需额外硬件。
• 在三维中跟踪了86个粒子（示例），在二维中每个视野重建出了237张图像为100相位分辨帧（文本中：55张原始图像转化为每个深度20张重建；二维中237转为100帧）。