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单光子敏感探测器的发展正迅速推动光子计数荧光显微镜的应用。在泊松光子计数统计条件下，迭代式 Richardson–Lucy（RL）类算法在图像反卷积方面具有统计最优性，但存在一种根本性的半收敛行为：随着迭代持续进行，噪声不可避免地被放大，因此通常需要提前停止迭代，或采用基于物体形态假设的正则化方法。本文提出了一种与形态无关的 RL 反卷积正则化框架，该框架利用相互独立的噪声实现，而非依赖结构性物体先验。在保留采集过程泊松统计特性的基础上，我们提出了噪声正则化（Regularized by Noise，RbN）方法：一种正则化变分框架及其相应的迭代最小化算法。该方法利用独立噪声实现之间的统计一致性，区分具有可重复性的图像特征与随机噪声。正则化强度通过泊松残差白化原则自动确定，从而实现无需启发式参数调节的完全数据驱动重建。光子计时分辨系统能够自然地提供本框架所需的独立噪声实现；对于光子计数系统，则可通过计算光子拆分实现统计等价的处理。 我们利用光子计时分辨共聚焦显微镜和图像扫描显微镜，在八种形态各异的亚细胞靶标上对该方法进行了实验验证，并进一步通过计算光子拆分展示了其在光子计数显微镜中的适用性。在不同成像模式、探测器技术、生物结构和信噪比条件下，我们的方法消除了 RL 算法的半收敛现象，降低了对停止准则的敏感性，并在保留精细结构细节的同时，始终优于传统 RL 方法。更广泛而言，我们的结果表明，独立噪声实现可作为一种普适的、与形态无关的正则化信息来源。尽管本文的验证对象是基于 SPAD 的激光扫描显微镜和泊松统计，但其基本原理可通过针对特定噪声构建适当的数学形式，推广至其他成像模式以及更一般的统计逆问题。
独立噪声实现使单光子敏感显微镜能够进行形态无关的图像重建 | bioRxiv
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# 独立噪声实现使单光子敏感显微镜能够进行形态无关的图像重建
Lisa Cuneo， Alessandro Zunino， Laurent Le， Sofia Agostini， Saverio Salzo， Luca Calatroni， Massimiliano Pontil， Giuseppe Vicidomini
doi： https://doi.org/10.64898/2026.09.12.751176
Lisa Cuneo 1 意大利理工学院；
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Alessandro Zunino 1 意大利理工学院；
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Laurent Le 1 意大利理工学院；
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Sofia Agostini 2 热那亚大学
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Saverio Salzo 1 意大利理工学院；
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Luca Calatroni 2 热那亚大学
通讯作者： luca.calatroni{at}unige.it
Massimiliano Pontil 1 意大利理工学院；
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Giuseppe Vicidomini 1 意大利理工学院；
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## 摘要
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## 摘要
单光子敏感探测器的发展正在迅速推动光子计数荧光显微镜的应用。在泊松光子计数统计条件下，迭代式 Richardson–Lucy（RL）类算法在图像去卷积方面具有统计最优性，但其存在一种根本性的半收敛行为：持续迭代不可避免地会放大噪声，因此需要启发式提前停止，或采用通常基于物体形态假设的正则化方法。
本文提出了一种与形态无关的 RL 去卷积正则化框架，该框架利用独立的噪声实现，而非物体的结构先验。
在保持采集过程泊松统计特性的基础上，我们提出了噪声正则化（Regularized by Noise，RbN）方法：一种正则化变分框架及其相应的迭代最小化算法。该方法利用独立噪声实现之间的统计一致性，区分可重复的图像特征与随机噪声。
正则化强度通过泊松残差白化原则自动选择，从而在无需启发式参数调节的情况下，实现完全由数据驱动的图像重建。
光子计时分辨系统能够自然地提供本框架所利用的独立噪声实现；对于光子计数系统，则可通过计算光子分割实现统计等价的方案。
我们利用光子计时分辨共聚焦显微镜和图像扫描显微镜，对八种形态各异的亚细胞靶标开展实验验证；此外，还通过计算光子分割进一步证明了该方法在光子计数显微镜中的适用性。
在不同成像模态、探测器技术、生物结构和信噪比条件下，我们的方法消除了 RL 的半收敛现象，降低了对停止准则的敏感性，并在保留精细结构细节的同时，始终优于传统 RL 方法。
更广泛而言，我们的研究确立了独立噪声实现作为一种通用的、与形态无关的正则化来源。尽管本文的展示基于采用 SPAD 的激光扫描显微镜和泊松统计，但其基本原理还可通过针对特定噪声形式的适当构造，推广至其他成像模态，以及更一般的统计逆问题。
## 利益冲突声明
G.V. 是 Genoa Instruments 的联合创始人，并持有该公司的股权。其余## 资助者信息声明
欧洲研究理事会
## 版权
本预印本的。
该预印本依据 CC-BY-NC-ND 4.0 国际许可协议 公开提供。
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发布于 2026 年 9 月 18 日。
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Lisa Cuneo， Alessandro Zunino， Laurent Le， Sofia Agostini， Saverio Salzo， Luca Calatroni， Massimiliano Pontil， Giuseppe Vicidomini
bioRxiv 2026.09.12.751176； doi： https://doi.org/10.64898/2026.09.12.751176
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独立噪声实现使单光子敏感显微镜能够进行形态无关的图像重建
Lisa Cuneo， Alessandro Zunino， Laurent Le， Sofia Agostini， Saverio Salzo， Luca Calatroni， Massimiliano Pontil， Giuseppe Vicidomini
bioRxiv 2026.09.12.751176； doi： https://doi.org/10.64898/2026.09.12.751176
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.12.751176v1?rss=1
🏷️ 单光子显微成像 图像反卷积 泊松噪声 Richardson–Lucy算法 无形态先验正则化 SPAD探测器