【钟声新闻网】国际期刊 Laser & Photonics Reviews报道我校高通量病理成像新进展

近期，我校电子工程与光电技术学院陈钱教授、左超教授团队在国际期刊Laser & Photonics Reviews上发表了题为“Efficient Synthetic Aperture for Phaseless Fourier Ptychographic Microscopy with Hybrid Coherent and Incoherent Illumination”的研究论文，并当选为期刊封面论文。该成果同时受到了Wiley旗下科研新闻平台AdvancedScienceNews的报道。电光学院博士生范瑶是该论文的第一作者，陈钱教授、左超教授为论文的共同通讯作者，我校为第一完成单位和通讯单位，合作单位包括美国康涅狄格大学、宁波江丰生物信息技术有限公司与宁波市临床病理诊断中心。

高通量成像在许多生物医学应用中至关重要，如细胞监测、药物筛选和病理诊断等。尤其在病理诊断领域，高通量成像提供了高分辨率和大视场的“数字病理图像”，由此，可以根据病理组织的形态学特征和相关的辅助测试来进行最终的疾病确诊，是医疗诊断的“金标准”。要实现这一应用，理想的成像技术需要获取染色组织切片在大视场（FOV）范围内细胞或亚细胞尺度的高分辨率细节信息。然而，传统光学显微镜的成像通量受拉格朗日不变量等因素，难以同时兼顾大视场与高分辨率成像。目前，大部分光学显微系统的空间带宽积在百万至千万像素量级，这种有限的空间带宽积成为制约显微成像系统应对高通量成像应用的关键瓶颈。

计算光学成像为突破光学显微系统物理限制实现高通量成像提供了可能。傅里叶叠层显微（FPM）成像基于角度照明扫描和合成孔径算法，在保持低倍物镜的大视场和大景深下，获得超越物镜衍射极限的高分辨率细节信息。该技术突破了光学显微系统的空间带宽积限制，为病理诊断提供了一个有潜力的高通量成像方案。但是，其在高通量成像应用的广泛推广面临两个瓶颈：1）需要采集大量的原始数据（通常几百幅），以牺牲时间带宽换取空间带宽，难以实现高时空带宽积成像；2）成像系统基于现有显微平台，空间带宽积受限于商业化物镜的数值孔径，难以满足病理诊断的信息通量需求。因此，如何有效突破成像系统的时空带宽积限制，实现高通量成像，是目前傅里叶叠层显微成像技术研究的一大重要方向。

针对上述问题，陈钱教授、左超教授团队提出了一种高效合成孔径傅里叶叠层显微成像技术，通过建立非相干（明场）和相干（暗场）混合照明策略（图1），采用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，仅需要采集7幅原始图像即可实现相干衍射极限3倍的成像分辨率。该方法突破了传统光学显微系统的时空带宽积限制，可在保持低倍物镜下的大视场和大景深的情况下，以现有傅里叶叠层显微技术百分之一的数据量获得超物镜衍射极限的高分辨率细节信息。

图1 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。

为实现对病理切片样本的高时空带宽积成像，研究团队自主设计了高通量显微物镜（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（图2）。该系统尺寸约为传统光学显微镜的三分之一，可提供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，空间带宽积达54.15Mpix。

图2 小型化高通量显微成像系统。(a)-(b) 小型化高通量显微成像系统的系统结构；(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。

    上述系统的高通量成像能力在淋巴结转移鳞状细胞癌病理切片的观察实验中得到了验证，结果如图3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提供了更高分辨率的细节特征，同时将成像视场提升了44.5倍。结果表明，该研究成果显著提升了时空带宽积，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3 淋巴结转移鳞状细胞癌病理切片成像实验结果。(a) 全视场明场图像；(b) 白框标记的兴趣区域（ROI 1）的放大图像；(c) 采用放大倍数为40×，0.65NA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）的可视化图像对比；（e）成像分辨率和成像通量的对比。

上述工作得到了国家自然科学基金, 江苏省基础研究计划前沿引领专项，江苏省青年基金项目，中央高校科研专项资助项目，以及江苏省光谱成像与智能感知重点实验室开放基金的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200201。

来源 | 钟声新闻网

排版 | 孙菲

复审 | 左超

终审 | 徐峰