前段時(shí)間，電視劇《我是刑警》的播出引發(fā)觀眾的熱議，用DNA檢驗(yàn)技術(shù)破案的情節(jié)更是牽動(dòng)人心。利用警察勘查摸排到的“一丁點(diǎn)”生物樣本，檢驗(yàn)人員如何更快速更精準(zhǔn)地找到證據(jù)？為了解決微量生物樣本的快速精準(zhǔn)檢測(cè)難題，上海理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)以“人工智能驅(qū)動(dòng)科學(xué)創(chuàng)新（AI for Science）”為核心理念，研發(fā)出“AI熒光成像——無濾波熒光顯微成像技術(shù)”，讓生物樣本檢測(cè)更高效。
這一成果由中國(guó)工程院院士、上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院院長(zhǎng)莊松林，上海理工大學(xué)常務(wù)副院長(zhǎng)張大偉帶領(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)合作完成，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)論文以“支持深度學(xué)習(xí)的無濾光片熒光顯微鏡”為題日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》。
AI賦能光學(xué)器件
這項(xiàng)研究的初衷并非刑偵應(yīng)用，而是源于臨床醫(yī)學(xué)智能化的需求。
3年前，依托上海理工大學(xué)醫(yī)工交叉項(xiàng)目，上海理工大學(xué)教授戴博團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)附屬仁濟(jì)醫(yī)院教授管陽太團(tuán)隊(duì)開展了一系列科研合作。合作過程中，雙方意識(shí)到，先進(jìn)的智能光電檢測(cè)技術(shù)能夠?yàn)榕R床診斷提供全面、精準(zhǔn)、便捷的手段，從而造福廣大病患。無濾波熒光顯微成像技術(shù)則脫胎于該項(xiàng)目。作為一項(xiàng)普適的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它可以從根本上解決傳統(tǒng)熒光顯微成像的痛點(diǎn)。
“熒光成像系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床實(shí)踐，例如神經(jīng)免疫病抗體檢測(cè)、腫瘤細(xì)胞的輔助檢測(cè)和定位、藥物在體內(nèi)分布和代謝情況的監(jiān)測(cè)等。”管陽太團(tuán)隊(duì)科研助理王侃說，但現(xiàn)有的熒光成像系統(tǒng)，需要裝備二向色鏡、濾光片等多套濾波組件才能滿足多波段熒光成像要求。此外，進(jìn)行多通道熒光成像時(shí)，操作人員要用機(jī)械裝置切換熒光濾波組件，不僅耗時(shí)、操作繁瑣，且增加了成像系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積及成本。
戴博團(tuán)隊(duì)“AI賦能光學(xué)器件”的研究恰好能解決這一痛點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)大膽提出：能否利用AI技術(shù)取代傳統(tǒng)光學(xué)濾光組件，從而對(duì)熒光信號(hào)的特異性進(jìn)行定位及定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣本高效精確地檢測(cè)分析。由此展開的“數(shù)字虛擬濾波器”研究，成為破解難題的關(guān)鍵。
高效還原各類熒光信號(hào)
找準(zhǔn)攻關(guān)方向后，新的難題又?jǐn)[在研究團(tuán)隊(duì)面前。該研究涉及多學(xué)科融合，需要不同領(lǐng)域的學(xué)者一起攻關(guān)。此前，研究團(tuán)隊(duì)匯集了光學(xué)工程、人工智能及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的專家，形成了獨(dú)特的跨學(xué)科優(yōu)勢(shì)，助推項(xiàng)目最終落地。
團(tuán)隊(duì)從AI技術(shù)出發(fā)，開發(fā)了數(shù)字虛擬濾波器，并提出了無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)，不需要昂貴的熒光濾波元件，通過暗場(chǎng)照明方式即可減弱背景噪聲。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。
論文第一作者戴博打了個(gè)比方：“顯微鏡里的細(xì)胞就好比星光，我們要用不同的鏡片來識(shí)別不同的顏色。如果想把這些光點(diǎn)都識(shí)別出來，就要不停地?fù)Q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，無論天上有多少不同顏色的光點(diǎn)，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。”
研究中，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，他們還利用無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，檢測(cè)人食管組織、人肝組織切片等一系列生物研究，以及臨床檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。以往對(duì)一份腫瘤切片進(jìn)行病理檢測(cè)至少需要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。新技術(shù)將為醫(yī)生精準(zhǔn)診斷、守護(hù)病患健康提供更多助力。
“目前提出的無濾波熒光成像技術(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，推動(dòng)現(xiàn)有生化檢測(cè)儀器的智能化升級(jí)換代。”張大偉說。
前段時(shí)間，電視劇《我是刑警》的播出引發(fā)觀眾的熱議，用DNA檢驗(yàn)技術(shù)破案的情節(jié)更是牽動(dòng)人心。利用警察勘查摸排到的“一丁點(diǎn)”生物樣本，檢驗(yàn)人員如何更快速更精準(zhǔn)地找到證據(jù)？為了解決微量生物樣本的快速精準(zhǔn)檢測(cè)難題，上海理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)以“人工智能驅(qū)動(dòng)科學(xué)創(chuàng)新（AI for Science）”為核心理念，研發(fā)出“AI熒光成像——無濾波熒光顯微成像技術(shù)”，讓生物樣本檢測(cè)更高效。
這一成果由中國(guó)工程院院士、上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院院長(zhǎng)莊松林，上海理工大學(xué)常務(wù)副院長(zhǎng)張大偉帶領(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)合作完成，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)論文以“支持深度學(xué)習(xí)的無濾光片熒光顯微鏡”為題日前發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》。
AI賦能光學(xué)器件
這項(xiàng)研究的初衷并非刑偵應(yīng)用，而是源于臨床醫(yī)學(xué)智能化的需求。
3年前，依托上海理工大學(xué)醫(yī)工交叉項(xiàng)目，上海理工大學(xué)教授戴博團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)附屬仁濟(jì)醫(yī)院教授管陽太團(tuán)隊(duì)開展了一系列科研合作。合作過程中，雙方意識(shí)到，先進(jìn)的智能光電檢測(cè)技術(shù)能夠?yàn)榕R床診斷提供全面、精準(zhǔn)、便捷的手段，從而造福廣大病患。無濾波熒光顯微成像技術(shù)則脫胎于該項(xiàng)目。作為一項(xiàng)普適的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)，它可以從根本上解決傳統(tǒng)熒光顯微成像的痛點(diǎn)。
“熒光成像系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床實(shí)踐，例如神經(jīng)免疫病抗體檢測(cè)、腫瘤細(xì)胞的輔助檢測(cè)和定位、藥物在體內(nèi)分布和代謝情況的監(jiān)測(cè)等。”管陽太團(tuán)隊(duì)科研助理王侃說，但現(xiàn)有的熒光成像系統(tǒng)，需要裝備二向色鏡、濾光片等多套濾波組件才能滿足多波段熒光成像要求。此外，進(jìn)行多通道熒光成像時(shí)，操作人員要用機(jī)械裝置切換熒光濾波組件，不僅耗時(shí)、操作繁瑣，且增加了成像系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積及成本。
戴博團(tuán)隊(duì)“AI賦能光學(xué)器件”的研究恰好能解決這一痛點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)大膽提出：能否利用AI技術(shù)取代傳統(tǒng)光學(xué)濾光組件，從而對(duì)熒光信號(hào)的特異性進(jìn)行定位及定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣本高效精確地檢測(cè)分析。由此展開的“數(shù)字虛擬濾波器”研究，成為破解難題的關(guān)鍵。
高效還原各類熒光信號(hào)
找準(zhǔn)攻關(guān)方向后，新的難題又?jǐn)[在研究團(tuán)隊(duì)面前。該研究涉及多學(xué)科融合，需要不同領(lǐng)域的學(xué)者一起攻關(guān)。此前，研究團(tuán)隊(duì)匯集了光學(xué)工程、人工智能及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的專家，形成了獨(dú)特的跨學(xué)科優(yōu)勢(shì)，助推項(xiàng)目最終落地。
團(tuán)隊(duì)從AI技術(shù)出發(fā)，開發(fā)了數(shù)字虛擬濾波器，并提出了無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)，不需要昂貴的熒光濾波元件，通過暗場(chǎng)照明方式即可減弱背景噪聲。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。
論文第一作者戴博打了個(gè)比方：“顯微鏡里的細(xì)胞就好比星光，我們要用不同的鏡片來識(shí)別不同的顏色。如果想把這些光點(diǎn)都識(shí)別出來，就要不停地?fù)Q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，無論天上有多少不同顏色的光點(diǎn)，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。”
研究中，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，他們還利用無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，檢測(cè)人食管組織、人肝組織切片等一系列生物研究，以及臨床檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。以往對(duì)一份腫瘤切片進(jìn)行病理檢測(cè)至少需要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。新技術(shù)將為醫(yī)生精準(zhǔn)診斷、守護(hù)病患健康提供更多助力。
“目前提出的無濾波熒光成像技術(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，推動(dòng)現(xiàn)有生化檢測(cè)儀器的智能化升級(jí)換代。”張大偉說。
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