使用光學(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)常常使用高倍物鏡和掃描拼接的方法來(lái)獲得大視場(chǎng)、高分辨率圖像，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，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)題等也降低了成像的質(zhì)量。傅里葉疊層顯微術(shù)（Fourier ptychographic microscopy, FPM）發(fā)明于2013年，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)，但是彩色化下使用傳統(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年潘安、馬彩文、姚保利團(tuán)隊(duì)提出了一種稱為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，相關(guān)工作以封面文章形式發(fā)表于 Science China Physics, Mechanics & Astronomy [Sci. China-Phys. Mech. 64(11), 114211 (2021)]。

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，且極大依賴GPU的并行計(jì)算。因此，團(tuán)隊(duì)提出了一種改進(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(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，從而徹底克服了CFPM的重要缺陷。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了26個(gè)樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，精度方面，CFPM和CFFPM與RGB序列照明方法相比均方誤差分別高4.76%和1.26%；視覺(jué)效果方面，CFFPM能夠有效分辨多色染料染色的復(fù)雜樣本，結(jié)果與RGB序列照明方法難以分出差別；時(shí)間效率方面，與RGB序列照明方法相比，CFPM和CFFPM都具有更高的效率，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；臨床應(yīng)用方面，顏色精度對(duì)于病理判斷至關(guān)重要，同時(shí)，簡(jiǎn)單地加快成像速度會(huì)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，具有重要的應(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。

此項(xiàng)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了快速全彩色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。相關(guān)成果以“Rapid full-color Fourier ptychographic microscopy via spatially filtered color transfer”為題，2022年9月30日在線發(fā)表于 Photonics Research (光學(xué)1區(qū)Top期刊, IF=7.254@2021)。論文的第一作者為西安光機(jī)所碩士生陳久潤(rùn)，共同通訊作者為潘安副研究員和馬彩文研究員。美國(guó)康涅狄格大學(xué)鄭國(guó)安教授在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論文潤(rùn)色等方面提供了重要幫助。

論文首頁(yè)

CFFPM方法示意圖

CFFPM參數(shù)設(shè)置

靜息孢子囊染色實(shí)驗(yàn)結(jié)果

潘安、馬彩文、姚保利團(tuán)隊(duì)在計(jì)算光學(xué)顯微成像方面開(kāi)展了長(zhǎng)期系列創(chuàng)新型研究工作，積累了大量研究成果。課題組密切關(guān)注本學(xué)科國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)態(tài)，近年來(lái)已派出了多名研究生前往世界知名科研院所聯(lián)合培養(yǎng)或短期交流，建立了良好的國(guó)際合作關(guān)系。本項(xiàng)目前期所開(kāi)展的基礎(chǔ)性研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持，為本論文實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及預(yù)期研究目標(biāo)奠定了良好的基礎(chǔ)。

論文信息：
https://doi.org/10.1364/PRJ.473038

審核編輯 ：李倩