西安光機所計算光學顯微成像研究獲進展

　　使用光學顯微鏡進行病理切片檢查是癌癥診斷的“金標準”。傳統的數字病理學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，提高了儀器設備的成本，且大量的機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械掃描拼接帶來的偽影、重影、失敗問題等也降低了成像質量。2013年，科研人員發明傅里葉疊層顯微術（Fourier ptychographic microscopy，FPM）。該技術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，在頻域中迭代重構高分辨率的結果，無需機械掃描就能獲得高分辨率、大視場圖像，有效地解決了傳統掃描成像的質量問題，突破了傳統顯微成像中分辨率與視場之間的矛盾關系，使得在數字病理學中實現高通量成像成為可能。

　　全彩色FPM成像對于分析標記的組織切片至關重要。傳統掃描拼接依托彩色相機速度很快，盡管FPM技術在單通道下有高通量優勢，但彩色化下使用傳統的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、保持高通量的優勢、突破精度與效率的矛盾關系是主要的科學問題。2021年，中國科學院西安光學精密機械研究所潘安、馬彩文、姚保利團隊提出了顏色遷移傅里葉疊層顯微術（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，該方法無法恢復多色染料染色的復雜樣品，且依賴GPU的并行計算。鑒于此，科研團隊提出了改進的FPM全彩色成像算法，稱為顏色遷移濾波傅里葉疊層顯微術（CFFPM）。該方法將交疊分塊、三邊濾波與全彩色FPM遷移學習模型相結合。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個樣本統計結果顯示：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；在臨床應用方面，顏色精度對于病理判斷至關重要，而簡單地加快成像速度導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勢，使得結果能夠被病理學家可用可接受，特別是對時間敏感的術中病理頗具應用前景。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用中，為計算光學成像在數字病理學中的臨床應用提供了新思路。

　　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FPM在數字病理學中的發展具有重要意義。9月30日，相關研究成果以Rapid full-color Fourier ptychographic microscopy via spatially filtered color transfer為題，在線發表在Photonics Research上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。