無(wú)濾波熒光顯微成像技術(shù)

近期，電視劇《我是刑警》吸引諸多觀眾的熱議，其中DNA檢驗(yàn)破案的環(huán)節(jié)更是牽動(dòng)人心。警察辛苦勘察摸排得到的“一丁點(diǎn)”生物樣本，如何能在檢驗(yàn)人員手里更快速高效地查出真相，更精準(zhǔn)地讓證據(jù)“說(shuō)話”?對(duì)此，上海理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)以AI for Science(人工智能驅(qū)動(dòng)科學(xué)創(chuàng)新)為核心理念的新成果，將為生物檢測(cè)技術(shù)升級(jí)提供一個(gè)顛覆性的答案。

該成果由上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院莊松林院士、常務(wù)副院長(zhǎng)張大偉教授帶領(lǐng)的超精密光學(xué)制造團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)附屬仁濟(jì)醫(yī)院浦南分院、美國(guó)杜克大學(xué)合作，創(chuàng)新提出了“AI熒光成像——無(wú)濾波熒光顯微成像技術(shù)”，可廣泛應(yīng)用于生物診斷、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、刑偵勘探等領(lǐng)域，相關(guān)論文“支持深度學(xué)習(xí)的無(wú)濾光片熒光顯微鏡(Deep learning-enabled filter-free fluorescence microscope)”發(fā)表在《科學(xué)》(Science)子刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。上海理工大學(xué)戴博教授為第一作者，張大偉教授、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院浦南分院管陽(yáng)太教授和美國(guó)杜克大學(xué)Tony Jun Huang教授為通訊作者，碩士研究生游少杰、博士研究生龍嚴(yán)和陳鈞一參與研究工作。

不謀而合，醫(yī)工交叉再升級(jí)

這一研究最初并非為了“刑偵”，而是為了推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)研究更加智能化。

早在三年前，借助上海理工大學(xué)醫(yī)工交叉項(xiàng)目之力，戴博教授與仁濟(jì)醫(yī)院管陽(yáng)太教授團(tuán)隊(duì)就開展過科研合作。在項(xiàng)目推進(jìn)過程中，管陽(yáng)太教授科研助理王侃醫(yī)生談道：“熒光成像系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究與臨床實(shí)踐，例如進(jìn)行神經(jīng)免疫病抗體檢測(cè)，輔助腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)和定位，監(jiān)測(cè)藥物在體內(nèi)的分布和代謝情況等。然而現(xiàn)有的熒光成像系統(tǒng)，需要裝備多套濾波組件(二向色鏡、濾光片等)，才能滿足多波段熒光成像的需求。此外，面向多通道熒光成像時(shí)，操作人員機(jī)械式切換熒光濾波組件，不僅耗時(shí)、操作繁瑣，無(wú)法滿足高速成像的應(yīng)用，而且增加了成像系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積及成本。是否可以借助AI之力為熒光成像系統(tǒng)賦能?”

這一想法恰巧與戴博“將AI賦能精密光學(xué)器件及系統(tǒng)”的計(jì)劃不謀而合。他們提出一個(gè)大膽的設(shè)想，是否能利用AI技術(shù)取代傳統(tǒng)光學(xué)濾光組件?從而實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)的特異性定位及定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣本的高效和精確的檢測(cè)和分析，其中，開展數(shù)字虛擬濾波器的研究成為解鎖問題的鑰匙。

精韌不怠，深度探索微觀世界

除了找準(zhǔn)攻關(guān)方向，張大偉、戴博團(tuán)隊(duì)還有一個(gè)特點(diǎn)：團(tuán)隊(duì)里既有光學(xué)工程、儀器科學(xué)的專家，又有從事人工智能領(lǐng)域研究的學(xué)者，團(tuán)隊(duì)還一直和臨床醫(yī)生長(zhǎng)期合作……團(tuán)隊(duì)交叉學(xué)科的融合，助推了項(xiàng)目的最終落地。

團(tuán)隊(duì)從AI技術(shù)出發(fā)，開發(fā)了“數(shù)字虛擬濾波器(digital optical filter)”，提出了無(wú)濾波熒光顯微成像技術(shù)。使用該技術(shù)的熒光顯微成像系統(tǒng)，可完全摒棄昂貴的熒光濾波元件，通過暗場(chǎng)照明方式，減弱背景噪聲。成像系統(tǒng)獲取圖像后，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)選擇熒光通道，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熒光信號(hào)。結(jié)果表明，無(wú)濾波熒光顯微成像系統(tǒng)具有良好的魯棒性，對(duì)不同顯微放大倍率、熒光染料濃度、樣品種類，均能高效、精準(zhǔn)地還原出熒光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高靈敏、高特異性熒光成像。

戴博打了個(gè)比方：“顯微鏡里的細(xì)胞就好比天際各種顏色的星光，我們要用不同的鏡片來(lái)識(shí)別不同的顏色，那么想把這些光點(diǎn)都識(shí)別出來(lái)，就要不停的換鏡片，耗時(shí)耗力。我們研究團(tuán)隊(duì)使用AI技術(shù)顛覆了這一概念，也就是說(shuō)無(wú)論天上有多少顏色光點(diǎn)，我們用一個(gè)普通的望遠(yuǎn)鏡就可以全部清晰、快速地識(shí)別出來(lái)。”

HEK293T細(xì)胞熒光成像圖(3色熒光)

人肝組織切片熒光成像圖(3色熒光)

研究中，科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)多色熒光量子點(diǎn)納米顆粒、多種熒光染料共染的細(xì)胞、組織切片、動(dòng)態(tài)細(xì)胞進(jìn)行了熒光成像實(shí)驗(yàn)。此外，還利用研制的無(wú)濾波熒光顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行了成纖維細(xì)胞活化蛋白表達(dá)分析、人食管組織/人肝組織切片檢測(cè)等一系列生物研究、臨床檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。以往對(duì)一份腫瘤切片進(jìn)行病理檢測(cè)需要至少20分鐘，而采用這一新技術(shù)則僅需4分鐘，效率提高了5倍之多，將為醫(yī)生精準(zhǔn)診斷、守護(hù)病患健康提供更多的助力。

“目前提出的無(wú)濾波熒光成像技術(shù)在熒光顯微成像系統(tǒng)中得到了初步驗(yàn)證，該技術(shù)存在巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力，有待進(jìn)一步移植到各類熒光檢測(cè)相關(guān)的儀器中，例如：共聚焦顯微鏡、熒光流式細(xì)胞儀等，有望顛覆式推動(dòng)現(xiàn)有生化檢測(cè)儀器的智能化升級(jí)換代。”張大偉談道。

審核編輯 黃宇