上海理工：AI颠覆荧光成像——智能无滤波荧光显微成像

无滤波荧光显微成像技术

近期，电视剧《我是刑警》吸引诸多观众的热议，其中DNA检验破案的环节更是牵动人心。警察辛苦勘察摸排得到的“一丁点”生物样本，如何能在检验人员手里更快速高效地查出真相，更精准地让证据“说话”?对此，上海理工大学科研团队以AI for Science(人工智能驱动科学创新)为核心理念的新成果，将为生物检测技术升级提供一个颠覆性的答案。

该成果由上海理工大学光电信息与计算机工程学院庄松林院士、常务副院长张大伟教授带领的超精密光学制造团队与上海交通大学附属仁济医院浦南分院、美国杜克大学合作，创新提出了“AI荧光成像——无滤波荧光显微成像技术”，可广泛应用于生物诊断、临床医学、环境监测、刑侦勘探等领域，相关论文“支持深度学习的无滤光片荧光显微镜(Deep learning-enabled filter-free fluorescence microscope)”发表在《科学》(Science)子刊《科学进展》(Science Advances)上。上海理工大学戴博教授为第一作者，张大伟教授、上海交通大学医学院附属仁济医院浦南分院管阳太教授和美国杜克大学Tony Jun Huang教授为通讯作者，硕士研究生游少杰、博士研究生龙严和陈钧一参与研究工作。

不谋而合，医工交叉再升级

这一研究最初并非为了“刑侦”，而是为了推动临床医学研究更加智能化。

早在三年前，借助上海理工大学医工交叉项目之力，戴博教授与仁济医院管阳太教授团队就开展过科研合作。在项目推进过程中，管阳太教授科研助理王侃医生谈道：“荧光成像系统已经被广泛用于医学的基础研究与临床实践，例如进行神经免疫病抗体检测，辅助肿瘤细胞的检测和定位，监测药物在体内的分布和代谢情况等。然而现有的荧光成像系统，需要装备多套滤波组件(二向色镜、滤光片等)，才能满足多波段荧光成像的需求。此外，面向多通道荧光成像时，操作人员机械式切换荧光滤波组件，不仅耗时、操作繁琐，无法满足高速成像的应用，而且增加了成像系统的复杂性、体积及成本。是否可以借助AI之力为荧光成像系统赋能?”

这一想法恰巧与戴博“将AI赋能精密光学器件及系统”的计划不谋而合。他们提出一个大胆的设想，是否能利用AI技术取代传统光学滤光组件?从而实现荧光信号的特异性定位及定量分析，实现对生物样本的高效和精确的检测和分析，其中，开展数字虚拟滤波器的研究成为解锁问题的钥匙。

精韧不怠，深度探索微观世界

除了找准攻关方向，张大伟、戴博团队还有一个特点：团队里既有光学工程、仪器科学的专家，又有从事人工智能领域研究的学者，团队还一直和临床医生长期合作……团队交叉学科的融合，助推了项目的最终落地。

团队从AI技术出发，开发了“数字虚拟滤波器(digital optical filter)”，提出了无滤波荧光显微成像技术。使用该技术的荧光显微成像系统，可完全摒弃昂贵的荧光滤波元件，通过暗场照明方式，减弱背景噪声。成像系统获取图像后，通过神经网络，自动选择荧光通道，准确预测荧光信号。结果表明，无滤波荧光显微成像系统具有良好的鲁棒性，对不同显微放大倍率、荧光染料浓度、样品种类，均能高效、精准地还原出荧光信号，实现高灵敏、高特异性荧光成像。

戴博打了个比方：“显微镜里的细胞就好比天际各种颜色的星光，我们要用不同的镜片来识别不同的颜色，那么想把这些光点都识别出来，就要不停的换镜片，耗时耗力。我们研究团队使用AI技术颠覆了这一概念，也就是说无论天上有多少颜色光点，我们用一个普通的望远镜就可以全部清晰、快速地识别出来。”

HEK293T细胞荧光成像图(3色荧光)

人肝组织切片荧光成像图(3色荧光)

研究中，科研团队针对多色荧光量子点纳米颗粒、多种荧光染料共染的细胞、组织切片、动态细胞进行了荧光成像实验。此外，还利用研制的无滤波荧光显微成像系统进行了成纤维细胞活化蛋白表达分析、人食管组织/人肝组织切片检测等一系列生物研究、临床检测的实验。以往对一份肿瘤切片进行病理检测需要至少20分钟，而采用这一新技术则仅需4分钟，效率提高了5倍之多，将为医生精准诊断、守护病患健康提供更多的助力。

“目前提出的无滤波荧光成像技术在荧光显微成像系统中得到了初步验证，该技术存在巨大的研究价值和应用潜力，有待进一步移植到各类荧光检测相关的仪器中，例如：共聚焦显微镜、荧光流式细胞仪等，有望颠覆式推动现有生化检测仪器的智能化升级换代。”张大伟谈道。

审核编辑 黄宇