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西安光機(jī)所計(jì)算光學(xué)顯微成像研究獲進(jìn)展

來(lái)源：測(cè)試GO 時(shí)間：2022-10-18 09:06:30 瀏覽：1375次

利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行病理切片檢查是癌癥診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。傳統(tǒng)的數(shù)字病理學(xué)常使用高倍物鏡和掃描拼接的方法以獲得大視場(chǎng)、高分辨率圖像，但高精密電動(dòng)位移臺(tái)、高倍物鏡、脈沖光源等組件價(jià)格昂貴，提高了儀器設(shè)備的成本，且大量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)也會(huì)減緩成像的時(shí)間效率。同時(shí)，高倍物鏡帶來(lái)的景深狹小和機(jī)械掃描拼接帶來(lái)的偽影、重影、失敗問(wèn)題等也降低了成像質(zhì)量。

科研人員發(fā)明傅里葉疊層顯微術(shù)(Fourier ptychographic microscopy，F(xiàn)PM)。該技術(shù)使用低倍物鏡獲得天然的大視場(chǎng)，通過(guò)多角度掃描方式采集一組低分辨率圖像，在頻域中迭代重構(gòu)高分辨率的結(jié)果，無(wú)需機(jī)械掃描就能獲得高分辨率、大視場(chǎng)圖像，有效地解決了傳統(tǒng)掃描成像的質(zhì)量問(wèn)題，突破了傳統(tǒng)顯微成像中分辨率與視場(chǎng)之間的矛盾關(guān)系，使得在數(shù)字病理學(xué)中實(shí)現(xiàn)高通量成像成為可能。

全彩色FPM成像對(duì)于分析標(biāo)記的組織切片至關(guān)重要。傳統(tǒng)掃描拼接依托彩色相機(jī)速度很快，盡管FPM技術(shù)在單通道下有高通量?jī)?yōu)勢(shì)，但彩色化下使用傳統(tǒng)的RGB序列照明合成則會(huì)縮小3倍通量，因此如何在保持精度的同時(shí)提高彩色化效率、保持高通量的優(yōu)勢(shì)、突破精度與效率的矛盾關(guān)系是主要的科學(xué)問(wèn)題。2021年，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所潘安、馬彩文、姚保利團(tuán)隊(duì)提出了顏色遷移傅里葉疊層顯微術(shù)(CFPM)的方法，以幾乎無(wú)精度損失的情況下將效率提高了3倍(Science China Physics, Mechanics & Astronomy，封面文章)。由于缺乏對(duì)顏色傳遞過(guò)程中空域信息約束，該方法無(wú)法恢復(fù)多色染料染色的復(fù)雜樣品，且依賴(lài)GPU的并行計(jì)算。鑒于此，科研團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)的FPM全彩色成像算法，稱(chēng)為顏色遷移濾波傅里葉疊層顯微術(shù)(CFFPM)。該方法將交疊分塊、三邊濾波與全彩色FPM遷移學(xué)習(xí)模型相結(jié)合。前者降低了解空間的搜尋范圍，后者引入了空域的先驗(yàn)信息，有效地匹配了最合適的顏色傳遞像素和濾除了雜色，進(jìn)一步通過(guò)迭代在兩個(gè)色彩空間的顏色精煉，從而克服了CFPM的重要缺陷。實(shí)驗(yàn)對(duì)比26個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：在精度方面，CFPM、CFFPM與RGB序列照明方法相比均方誤差分別高4.76%和1.26%；在視覺(jué)效果方面，CFFPM可有效分辨多色染料染色的復(fù)雜樣本，與RGB序列照明方法難以分出差別；在時(shí)間效率方面，與RGB序列照明方法相比，CFPM和CFFPM均具有更高的效率/與在CPU上運(yùn)行的CFPM相比，CFFPM方法的運(yùn)行時(shí)間從幾小時(shí)減少到幾分鐘；在臨床應(yīng)用方面，顏色精度對(duì)于病理判斷至關(guān)重要，而簡(jiǎn)單地加快成像速度導(dǎo)致彩色成像的精度損失。CFFPM在兩者之間做到了較好的取舍，在快速成像的同時(shí)保持了高精度彩色成像的優(yōu)勢(shì)，使得結(jié)果能夠被病理學(xué)家可用可接受，特別是對(duì)時(shí)間敏感的術(shù)中病理頗具應(yīng)用前景。此外，CFFPM無(wú)需GPU加速，由于其低成本硬件要求，可廣泛推廣到實(shí)際應(yīng)用中，為計(jì)算光學(xué)成像在數(shù)字病理學(xué)中的臨床應(yīng)用提供了新思路。

該工作將先驗(yàn)的空域信息和顏色空間迭代精煉思想引入到快速全彩色FPM研究中，對(duì)于促進(jìn)FPM在數(shù)字病理學(xué)中的發(fā)展具有重要意義。9月30日，相關(guān)研究成果以Rapid full-color Fourier ptychographic microscopy via spatially filtered color transfer為題，在線發(fā)表在Photonics Research上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

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