AIDT 온디바이스 STEM 확률론적 광학 재구성 현미경(STORM) 단분자 국소화 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Storm
{
    public readonly ref struct StormEmitterState
    {
        public readonly double SubpixelXNm;         // 국소화 x좌표 (nm)
        public readonly double SubpixelYNm;         // 국소화 y좌표 (nm)
        public readonly double SubpixelZNm;         // 비점수차 역산 z좌표 (nm)
        public readonly double LocalizationPrecisionNm; // 국소화 정밀도 sigma_loc (nm)
        public readonly double PhotonCountN;        // 단일 분자 광자 수 N
        public readonly double BackgroundPhotonsB;  // 배경 잡음 b (photons/pixel)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public StormEmitterState(double x, double y, double z, double prec, double n, double b)
        {
            SubpixelXNm = x;
            SubpixelYNm = y;
            SubpixelZNm = z;
            LocalizationPrecisionNm = prec;
            PhotonCountN = n;
            BackgroundPhotonsB = b;
        }
    }

    public ref struct StormLocalizationEngine
    {
        private const double PixelSizeNm = 100.0;    // sCMOS 유효 픽셀 크기 a (nm)
        private const double PsfSigmaNm = 130.0;     // 기준 PSF 폭 s (nm)

        private double _activationLaserPowerMw;      // 405nm 활성화 레이저 출력 (mW)
        private double _densitySetPoint;             // 목표 프레임당 에미터 밀도

        public StormLocalizationEngine(double initUvMw = 0.5, double targetDensity = 0.05)
        {
            _activationLaserPowerMw = initUvMw;
            _densitySetPoint = targetDensity;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public StormEmitterState StepServo(double spotTotalPhotons, double backgroundPhotons, double widthXNm, double widthYNm, double currentEmitterDensity, double dtSec)
        {
            // 1. 활성화 자외선(405nm) 레이저 출력 피드백 루프 (에미터 과포화 방지)
            double densityError = _densitySetPoint - currentEmitterDensity;
            _activationLaserPowerMw = Math.Clamp(_activationLaserPowerMw + densityError * 0.05, 0.01, 10.0);

            // 2. 톰슨-웹-모에너 국소화 정밀도 계산 (nm)
            double nPhotons = Math.Max(spotTotalPhotons, 100.0);
            double bNoise = Math.Max(backgroundPhotons, 1.0);

            double term1 = (PsfSigmaNm * PsfSigmaNm + (PixelSizeNm * PixelSizeNm / 12.0)) / nPhotons;
            double term2 = (8.0 * Math.PI * Math.Pow(PsfSigmaNm, 4.0) * bNoise * bNoise) / (PixelSizeNm * PixelSizeNm * nPhotons * nPhotons);
            double sigmaLoc = Math.Sqrt(term1 + term2);

            // 3. 비점수차 z축 좌표 역산 (wx - wy 타원도 기반)
            double wx = Math.Max(widthXNm, 80.0);
            double wy = Math.Max(widthYNm, 80.0);
            double ellipticity = wx - wy;
            // z = alpha * ellipticity 근사 (초점 심도 +/- 400 nm)
            double zNm = Math.Clamp(ellipticity * 4.5, -400.0, 400.0);

            // 4. 서브픽셀 무게중심 보정 (시뮬레이션 가중 오프셋)
            double subX = (wx - PsfSigmaNm) * 0.15;
            double subY = (wy - PsfSigmaNm) * 0.15;

            return new StormEmitterState(
                x: subX,
                y: subY,
                z: zNm,
                prec: sigmaLoc,
                n: nPhotons,
                b: bNoise
            );
        }
    }
}