从4.2小时到225秒！Dhyana 400BSI V3助力单分子定位显微镜高通量成像突破！

近期，南方科技大学李依明课题组针对单分子定位显微镜（SMLM）在高通量超分辨成像中的应用，提出了 LiteLoc，一种基于轻量化深度学习的高效可扩展分析框架。相关成果以“Scalable and lightweight deep learning for efficient high accuracy single-molecule localization microscopy”为题发表于国际权威期刊Nature Communications。

LiteLoc创新成果 

单分子定位显微（SMLM）需从数万帧单分子闪烁图像中精确定位分子位置，这一过程生成的海量数据对计算效率与数据吞吐能力提出了严苛要求。

LiteLoc 轻量级深度学习框架围绕“实时、高精度、高通量”三大目标，突破了高通量 SMLM 重建的多项关键技术瓶颈：

轻量化网络结构：显著减少网络参数量与计算开销，使成像—分析流程更加高效，特别适用于长时间连续采集的 SMLM 成像模式。

可扩展系统架构：支持多 GPU 并行、跨平台部署，为大规模数据处理提供灵活的工程化扩展路径。

高精度定位优化：在保持接近 Cramér–Rao 下限（CRLB）的定位误差前提下，实现 567 MB/s 的分析吞吐率，将重建时间从 4.2 小时缩短至 225 秒，达到接近相机帧率的实时处理能力。

图1  LiteLoc可扩展并行框架和轻量化深度学习网络示意图

单分子定位显微镜
高通量成像挑战

1. 相机信噪比——定位精度的核心约束

单分子成像的光子数极低，任何背景噪声或读出噪声的增加都会显著降低定位精度。要使 LiteLoc 达到接近 Cramér–Rao 下限（CRLB）的理论定位极限，成像探测器必须提供高信噪比与高光子保真度的数据输入。

2. 相机帧率——高通量实时分析的前提

3D SMLM 通常需要持续采集成千上万帧图像。如果相机读出速度不足，将导致深度学习推理滞后，无法在样品发生漂移之前完成高精度重建。

图 2  LiteLoc的分析速度及定位表现

Dhyana 400BSI V3
相机应用优势解析

LiteLoc单分子定位显微镜选用了鑫图 Dhyana 400BSI V3 sCMOS 相机作为核心成像探测器。其在高信噪比与高速读出能力方面的表现，为 LiteLoc 达到单分子理论定位极限并实现算法–硬件闭环验证提供了关键支持。

1.卓越的信噪比：

Dhyana 400BSI V3 量子效率（QE）高达 95%，最大化单分子荧光信号的有效收集；典型读出噪声仅 1.1 e⁻ (RMS)，在低光子通量下仍可维持高信噪比，为 LiteLoc 实现接近理论定位精度提供了坚实的基础。

2.高速输出能力：

Dhyana 400BSI V3 全分辨率帧率可达 100 fps @ 2048 (H) x2048 (V)，对应图像原始数据产生速率约 550 MB/s (11 bit），与 LiteLoc 系统 567 MB/s 的数据节奏匹配，直接支撑了高通量成像目标的实现。

图3  LiteLoc在基于散光PSF和6 µm DMO-Tetrapod PSF对核孔蛋白Nup96的重构结果。

Dhyana 400BSI V3 在 LiteLoc 成像系统中的成功应用，充分展示了相机信噪比对单分子定位精度的关键影响，以及高帧率在高通量成像系统中不可或缺的核心价值。

版权声明：该文章旨在为大家提供科学相机相关应用参考，部分内容摘抄于相关论文研究成果，版权归原作者所有，引用请标注出处。

论文标题：Scalable and lightweight deep learning for efficient high accuracy single-molecule localization microscopy

论文作者：南方科技大学费悦、傅爽以及石伟为论文共同第一作者，李依明为该论文通讯作者，南方科技大学为第一通讯单位。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62662-5