【IntelligentOptics】成像专题 | 合成孔径傅里叶叠层显微成像技术助力数字病理系统小型化与智能化 （Wiley LPR）

为进一步发展大视场、高分辨、高效率的高通量成像技术，研究人员提出了一种高效合成孔径傅里叶叠层成像技术（ESA-FPM），实现病理诊断高通量成像性能指标的跨越式提升。如图3所示，该技术建立了非相干（明场）和相干（暗场）混合照明策略，提出明场反卷积结合暗场迭代重构的高效傅里叶叠层显微成像方法。研究人员通过分析不同照明下采集图像的信息分布特性，采用非相干照明替代传统的角度扫描照明，使单幅明场图像集成物镜数值孔径两倍带宽的信息；进一步基于弱相位物体光场信息的一致性，采用中心对称暗场稀疏照明策略大幅度减少暗场图像数量。由此，将傅里叶叠层显微成像技术所需图像数据减少两个数量级，突破了传统光学显微系统的时空带宽积限制。

图2. 高效合成孔径傅里叶叠层成像技术的非相干（明场）和相干（暗场）混合照明原理示意图。（a）ESA-FPM系统示意图；（b）非相干（明场）和相干（暗场）混合照明策略；（c）混合照明模式下的合成频谱覆盖。

为探索ESA-FPM的最少数据需求，通过分析傅里叶叠层显微成像技术的数据冗余，提出了具有最大数据转换效率的高效合成孔径傅里叶叠层成像技术方案。这一方案将暗场照明的数值孔径确定为物镜数值孔径的两倍，采用该照明环形上均匀分布的12颗LED单元进行照明，中心对称的两颗LED单元同时点亮采集一幅暗场图像。由此，采集7幅原始图像实现相干衍射极限3倍的成像分辨率。最终，该方法其仅需要传统傅里叶叠层显微成像技术1.6%的图像数据，即可获得大视场下超物镜衍射极限的高分辨率样品细节特征。

此外，为了突破现有基于商业化显微平台实现的傅里叶叠层成像的空间带宽积限制，自主设计高通量显微物镜（低倍率6X，高数值孔径0.35NA）和高亮度LED阵列，构建了小型化高通量显微成像系统。如图4所示，该系统尺寸约为传统光学显微镜的三分之一，提供了2.19×1.46mm2的大视场范围内全宽分辨率486nm（等效数值孔径1.05）的高分辨率图像，成像空间带宽积达54.15Mpix。

图4. 小型化高效合成孔径傅里叶叠层成像系统。

（a），（b）系统硬件配置；（c）自主设计的高通量显微物镜（低倍率6X，高数值孔径0.35NA）；（d）高亮度LED阵列。

研究人员采用该小型化高通量显微成像系统对淋巴结转移鳞状细胞癌病理切片进行成像，结果如图5所示。与40×，0.65NA显微物镜获得的成像结果对比，该高通量显微成像系统的实验结果实现了更的高分辨率，并且成像视场是其44.5倍。结果表明，该研究成果大大提升了时空带宽积，突破了现有光学显微成像系统的成像通量，有望为病理诊断进行统计学和生物学上的准确病变分析提供高效的技术方案。

图5. 淋巴结转移鳞状细胞癌切片的高通量实验结果。

（a）全视场明场图像；（b）白框中的感兴趣区域（ROI 1）的放大图像；（c）使用放大倍数为40倍、NA为0.65的物镜在传统明场显微镜下的成像结果；（d）相干照明、明场照明和ESA-FPM的感兴趣区域（ROI 2, ROI 3, ROI 4, ROI 5）的可视化结果对比。

简要小结：该研究探讨了一种高效合成孔径傅里叶叠层显微成像方法（ESA-FPM），通过非相干和相干混合照明策略，采集7幅原始图像实现相干衍射极限3倍的成像分辨率。进一步自主设计小型化高通量显微成像系统的实验表明，该系统与40×、0.65NA显微物镜的成像结果对比，成像视场是其44.5倍，并且提供了更高分辨率的细节特征。其成果将有望革新病理诊断现有图像获取方式，为病理诊断提供及时准确的高通量成像技术方案。