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西安光機(jī)所計算光學(xué)顯微成像研究獲進(jìn)展

來源：測試GO 時間：2022-10-18 09:06:30 瀏覽：1050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、高分辨率圖像，但高精密電動位移臺、高倍物鏡、脈沖光源等組件價格昂貴，提高了儀器設(shè)備的成本，且大量的機(jī)械運動也會減緩成像的時間效率。同時，高倍物鏡帶來的景深狹小和機(jī)械掃描拼接帶來的偽影、重影、失敗問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，通過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，無需機(jī)械掃描就能獲得高分辨率、大視場圖像，有效地解決了傳統(tǒng)掃描成像的質(zhì)量問題，突破了傳統(tǒng)顯微成像中分辨率與視場之間的矛盾關(guān)系，使得在數(shù)字病理學(xué)中實現(xiàn)高通量成像成為可能。

全彩色FPM成像對于分析標(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優(yōu)勢，但彩色化下使用傳統(tǒng)的RGB序列照明合成則會縮小3倍通量，因此如何在保持精度的同時提高彩色化效率、保持高通量的優(yōu)勢、突破精度與效率的矛盾關(guān)系是主要的科學(xué)問題。2021年，中國科學(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)隊提出了顏色遷移傅里葉疊層顯微術(shù)(CFPM)的方法，以幾乎無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)。由于缺乏對顏色傳遞過程中空域信息約束，該方法無法恢復(fù)多色染料染色的復(fù)雜樣品，且依賴GPU的并行計算。鑒于此，科研團(tuán)隊提出了改進(jìn)的FPM全彩色成像算法，稱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)一步通過迭代在兩個色彩空間的顏色精煉，從而克服了CFPM的重要缺陷。實驗對比26個樣本統(tǒng)計結(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上運行的CFPM相比，CFFPM方法的運行時間從幾小時減少到幾分鐘；在臨床應(yīng)用方面，顏色精度對于病理判斷至關(guān)重要，而簡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，在快速成像的同時保持了高精度彩色成像的優(yōu)勢，使得結(jié)果能夠被病理學(xué)家可用可接受，特別是對時間敏感的術(shù)中病理頗具應(yīng)用前景。此外，CFFPM無需GPU加速，由于其低成本硬件要求，可廣泛推廣到實際應(yīng)用中，為計算光學(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。研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。

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