無濾波熒光顯微成像技術

近期，電視劇《我是刑警》吸引諸多觀眾的熱議，其中DNA檢驗破案的環節更是牽動人心。警察辛苦勘察摸排得到的“一丁點”生物樣本，如何能在檢驗人員手里更快速高效地查出真相，更精準地讓證據“說話”?對此，上海理工大學科研團隊以AI for Science(人工智能驅動科學創新)為核心理念的新成果，將為生物檢測技術升級提供一個顛覆性的答案。

該成果由上海理工大學光電信息與計算機工程學院莊松林院士、常務副院長張大偉教授帶領的超精密光學制造團隊與上海交通大學附屬仁濟醫院浦南分院、美國杜克大學合作，創新提出了“AI熒光成像——無濾波熒光顯微成像技術”，可廣泛應用于生物診斷、臨床醫學、環境監測、刑偵勘探等領域，相關論文“支持深度學習的無濾光片熒光顯微鏡(Deep learning-enabled filter-free fluorescence microscope)”發表在《科學》(Science)子刊《科學進展》(Science Advances)上。上海理工大學戴博教授為第一作者，張大偉教授、上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院浦南分院管陽太教授和美國杜克大學Tony Jun Huang教授為通訊作者，碩士研究生游少杰、博士研究生龍嚴和陳鈞一參與研究工作。

不謀而合，醫工交叉再升級

這一研究最初并非為了“刑偵”，而是為了推動臨床醫學研究更加智能化。

早在三年前，借助上海理工大學醫工交叉項目之力，戴博教授與仁濟醫院管陽太教授團隊就開展過科研合作。在項目推進過程中，管陽太教授科研助理王侃醫生談道：“熒光成像系統已經被廣泛用于醫學的基礎研究與臨床實踐，例如進行神經免疫病抗體檢測，輔助腫瘤細胞的檢測和定位，監測藥物在體內的分布和代謝情況等。然而現有的熒光成像系統，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，操作人員機械式切換熒光濾波組件，不僅耗時、操作繁瑣，無法滿足高速成像的應用，而且增加了成像系統的復雜性、體積及成本。是否可以借助AI之力為熒光成像系統賦能?”

這一想法恰巧與戴博“將AI賦能精密光學器件及系統”的計劃不謀而合。他們提出一個大膽的設想，是否能利用AI技術取代傳統光學濾光組件?從而實現熒光信號的特異性定位及定量分析，實現對生物樣本的高效和精確的檢測和分析，其中，開展數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

除了找準攻關方向，張大偉、戴博團隊還有一個特點：團隊里既有光學工程、儀器科學的專家，又有從事人工智能領域研究的學者，團隊還一直和臨床醫生長期合作……團隊交叉學科的融合，助推了項目的最終落地。

團隊從AI技術出發，開發了“數字虛擬濾波器(digital optical filter)”，提出了無濾波熒光顯微成像技術。使用該技術的熒光顯微成像系統，可完全摒棄昂貴的熒光濾波元件，通過暗場照明方式，減弱背景噪聲。成像系統獲取圖像后，通過神經網絡，自動選擇熒光通道，準確預測熒光信號。結果表明，無濾波熒光顯微成像系統具有良好的魯棒性，對不同顯微放大倍率、熒光染料濃度、樣品種類，均能高效、精準地還原出熒光信號，實現高靈敏、高特異性熒光成像。

戴博打了個比方：“顯微鏡里的細胞就好比天際各種顏色的星光，我們要用不同的鏡片來識別不同的顏色，那么想把這些光點都識別出來，就要不停的換鏡片，耗時耗力。我們研究團隊使用AI技術顛覆了這一概念，也就是說無論天上有多少顏色光點，我們用一個普通的望遠鏡就可以全部清晰、快速地識別出來?！?/p>

HEK293T細胞熒光成像圖(3色熒光)

人肝組織切片熒光成像圖(3色熒光)

研究中，科研團隊針對多色熒光量子點納米顆粒、多種熒光染料共染的細胞、組織切片、動態細胞進行了熒光成像實驗。此外，還利用研制的無濾波熒光顯微成像系統進行了成纖維細胞活化蛋白表達分析、人食管組織/人肝組織切片檢測等一系列生物研究、臨床檢測的實驗。以往對一份腫瘤切片進行病理檢測需要至少20分鐘，而采用這一新技術則僅需4分鐘，效率提高了5倍之多，將為醫生精準診斷、守護病患健康提供更多的助力。

“目前提出的無濾波熒光成像技術在熒光顯微成像系統中得到了初步驗證，該技術存在巨大的研究價值和應用潛力，有待進一步移植到各類熒光檢測相關的儀器中，例如：共聚焦顯微鏡、熒光流式細胞儀等，有望顛覆式推動現有生化檢測儀器的智能化升級換代。”張大偉談道。

審核編輯 黃宇