近期，上海科技大学信息科学与技术学院任无畏团队联合上科大iHuman研究所周宁团队、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Michael Unser团队，在光学领域国际期刊 《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）上发表了题为“High-Fidelity Miniature Fluorescence Microscopy Using Zernike-Based Point-Spread-Function Modeling and Hardware-Assisted Calibration”的研究论文，提出一套基于自研微型化荧光显微镜（Miniscope）系统的通用图像增强框架（MiniZSV），系统性解决了Miniscope成像面临的像差与背景荧光耦合问题，显著提升在自由活动动物中进行神经与血管成像的信号保真度和空间分辨率。
Miniscope紧凑、可头戴的设计，使得神经科学研究者能够记录动物在自由活动下的神经活动。然而，其光学设计结构大幅简化带来了两个相互交织的成像瓶颈：一是空间变化的光学像差导致图像分辨率严重下降；二是组织散射和离焦的背景荧光使得信噪比进一步降低。更为棘手的是，这两个问题并非独立存在：像差导致的模糊信号与弥散的背景荧光混合，使得传统计算方法难以区分有效信号与干扰。当前的计算策略忽略了二者的耦合效应，导致最终成像保真度受限。因此，亟需一种能够协同处理像差与背景光的统一方法。
图1：尺寸近乎硬币大小的Miniscope（左）以及生物成像应用（右）
MiniZSV框架包含三个步骤：首先采用迭代低通滤波与像素级最小化的自适应背景去除算法，在最大程度保留受像差影响的信号结构的同时，逐步分离出缓慢变化的荧光背景，避免了传统形态学操作可能造成的边缘信息丢失；其次，基于傅里叶光学中的Zernike多项式，对点扩散函数（PSF）进行物理驱动的参数化建模。利用课题组前期开发的MiniMounter硬件校准平台采集标定数据，鲁棒拟合出连续变化的Zernike系数，进而构建全视野下精确PSF图。该方法相较于奇异值分解（SVD）模型，在低信噪比边缘区域表现出更强的稳定性。最后基于去背景图像与连续PSF图谱，采用反卷积算法恢复细节，并通过双线性插值融合为无缝的全图。三步协同工作，首次实现了对微型显微镜中像差与背景耦合问题的高保真图像增强。
图2：基于硬件标定和Zernike参数模型的通用Miniscope图像增强框架（MiniZSV）。
在神经元活动成像方面，小鼠海马体钙离子成像的原始数据经过MiniZSV框架显著增加可识别的活跃神经元数量，提升幅度超过40%。更重要的是，在神经元高度重叠的区域，原始数据中因像差和背景干扰而无法区分的细胞，在增强后得以清晰分离。时间轨迹分析表明，新识别的神经元呈现出独立于邻近细胞的钙瞬变模式，纠正了原本因信号叠加而产生的误判。这表明MiniZSV不仅提升了图像的信噪比和分辨率，更能有效解析空间与时间上重叠的神经活动，为功能性连接图谱的准确构建奠定了基础。
图3：在体钙离子成像数据验证。
图4：在体钙离子成像神经元响应动态变化。
在脑部微血管造影成像方面，MiniZSV使原本被强荧光背景掩盖的微小血管结构变得清晰可辨。定量分析显示，增强后血管的半高全宽显著减小，实现了微米级别的空间分辨率提升，能够分辨出原始图像中融合的交叉血管。更为关键的是， MiniZSV成功恢复了血管重叠导致血流速度测量失真的区域。证明MiniZSV能有效消除血管重叠造成的伪影，为精准的血液动力学分析与氧代谢模型构建提供可靠的数据基础。
图5：脑部微血管造影成像数据验证。
图6：脑部微血管造影成像的血流动力学动态变化。
MiniZSV首次为微型荧光显微镜提供了一种能够协同处理空间变化像差与强背景荧光耦合问题的统一框架，成功揭示此前因低信噪比或重叠结构而被掩盖的生物学现象，显著增强神经元提取精度与血流动力学分析的可靠性，为自由行为动物中的神经回路与神经血管耦合研究提供高品质数据，也展示了物理信息驱动的计算校正方法在微型光学系统中的广阔应用前景。未来，团队计划将该框架拓展至三维，结合下一代Miniscope硬件系统与三维Zernike PSF建模，实现高保真的三维Miniscope成像，从而进一步释放Miniscope在神经科学研究中的潜力。
上海科技大学信息科学与技术学院博士研究生顾梁韬与瑞士洛桑联邦理工学院Yan Liu博士为论文共同第一作者，上海科技大学信息科学与技术学院任无畏、上海科技大学iHuman研究所周宁及瑞士洛桑联邦理工学院Jonathan Dong为论文共同通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。该工作还得到了上海临床研究中心及瑞士洛桑联邦理工学院Michael Unser教授的大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202502485
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