AI荧光成像技术为生物检测提速增效
前段时间，电视剧《我是刑警》的播出引发观众的热议，用DNA检验技术破案的情节更是牵动人心。利用警察勘查摸排到的“一丁点”生物样本，检验人员如何更快速更精准地找到证据？为了解决微量生物样本的快速精准检测难题，上海理工大学科研团队以“人工智能驱动科学创新（AI for Science）”为核心理念，研发出“AI荧光成像——无滤波荧光显微成像技术”，让生物样本检测更高效。
这一成果由中国工程院院士、上海理工大学光电信息与计算机工程学院院长庄松林，上海理工大学常务副院长张大伟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、美国杜克大学合作完成，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。相关论文以“支持深度学习的无滤光片荧光显微镜”为题日前发表于国际学术期刊《科学》子刊《科学进展》。
AI赋能光学器件
这项研究的初衷并非刑侦应用，而是源于临床医学智能化的需求。
3年前，依托上海理工大学医工交叉项目，上海理工大学教授戴博团队与上海交通大学附属仁济医院教授管阳太团队开展了一系列科研合作。合作过程中，双方意识到，先进的智能光电检测技术能够为临床诊断提供全面、精准、便捷的手段，从而造福广大病患。无滤波荧光显微成像技术则脱胎于该项目。作为一项普适的生物医学检测技术，它可以从根本上解决传统荧光显微成像的痛点。
“荧光成像系统已经被广泛用于医学基础研究与临床实践，例如神经免疫病抗体检测、肿瘤细胞的辅助检测和定位、药物在体内分布和代谢情况的监测等。”管阳太团队科研助理王侃说，但现有的荧光成像系统，需要装备二向色镜、滤光片等多套滤波组件才能满足多波段荧光成像要求。此外，进行多通道荧光成像时，操作人员要用机械装置切换荧光滤波组件，不仅耗时、操作繁琐，且增加了成像系统的复杂性、体积及成本。
戴博团队“AI赋能光学器件”的研究恰好能解决这一痛点。团队大胆提出：能否利用AI技术取代传统光学滤光组件，从而对荧光信号的特异性进行定位及定量分析，实现对生物样本高效精确地检测分析。由此展开的“数字虚拟滤波器”研究，成为破解难题的关键。
高效还原各类荧光信号
找准攻关方向后，新的难题又摆在研究团队面前。该研究涉及多学科融合，需要不同领域的学者一起攻关。此前，研究团队汇集了光学工程、人工智能及临床医学等领域的专家，形成了独特的跨学科优势，助推项目最终落地。
团队从AI技术出发，开发了数字虚拟滤波器，并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，不需要昂贵的荧光滤波元件，通过暗场照明方式即可减弱背景噪声。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。
论文第一作者戴博打了个比方：“显微镜里的细胞就好比星光，我们要用不同的镜片来识别不同的颜色。如果想把这些光点都识别出来，就要不停地换镜片，耗时耗力。我们研究团队使用AI技术颠覆了这一概念，无论天上有多少不同颜色的光点，用一个普通的望远镜就可以全部清晰、快速地识别出来。”
研究中，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，他们还利用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，检测人食管组织、人肝组织切片等一系列生物研究，以及临床检测实验。以往对一份肿瘤切片进行病理检测至少需要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。新技术将为医生精准诊断、守护病患健康提供更多助力。
“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，推动现有生化检测仪器的智能化升级换代。”张大伟说。
前段时间，电视剧《我是刑警》的播出引发观众的热议，用DNA检验技术破案的情节更是牵动人心。利用警察勘查摸排到的“一丁点”生物样本，检验人员如何更快速更精准地找到证据？为了解决微量生物样本的快速精准检测难题，上海理工大学科研团队以“人工智能驱动科学创新（AI for Science）”为核心理念，研发出“AI荧光成像——无滤波荧光显微成像技术”，让生物样本检测更高效。
这一成果由中国工程院院士、上海理工大学光电信息与计算机工程学院院长庄松林，上海理工大学常务副院长张大伟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、美国杜克大学合作完成，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。相关论文以“支持深度学习的无滤光片荧光显微镜”为题日前发表于国际学术期刊《科学》子刊《科学进展》。
AI赋能光学器件
这项研究的初衷并非刑侦应用，而是源于临床医学智能化的需求。
3年前，依托上海理工大学医工交叉项目，上海理工大学教授戴博团队与上海交通大学附属仁济医院教授管阳太团队开展了一系列科研合作。合作过程中，双方意识到，先进的智能光电检测技术能够为临床诊断提供全面、精准、便捷的手段，从而造福广大病患。无滤波荧光显微成像技术则脱胎于该项目。作为一项普适的生物医学检测技术，它可以从根本上解决传统荧光显微成像的痛点。
“荧光成像系统已经被广泛用于医学基础研究与临床实践，例如神经免疫病抗体检测、肿瘤细胞的辅助检测和定位、药物在体内分布和代谢情况的监测等。”管阳太团队科研助理王侃说，但现有的荧光成像系统，需要装备二向色镜、滤光片等多套滤波组件才能满足多波段荧光成像要求。此外，进行多通道荧光成像时，操作人员要用机械装置切换荧光滤波组件，不仅耗时、操作繁琐，且增加了成像系统的复杂性、体积及成本。
戴博团队“AI赋能光学器件”的研究恰好能解决这一痛点。团队大胆提出：能否利用AI技术取代传统光学滤光组件，从而对荧光信号的特异性进行定位及定量分析，实现对生物样本高效精确地检测分析。由此展开的“数字虚拟滤波器”研究，成为破解难题的关键。
高效还原各类荧光信号
找准攻关方向后，新的难题又摆在研究团队面前。该研究涉及多学科融合，需要不同领域的学者一起攻关。此前，研究团队汇集了光学工程、人工智能及临床医学等领域的专家，形成了独特的跨学科优势，助推项目最终落地。
团队从AI技术出发，开发了数字虚拟滤波器，并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，不需要昂贵的荧光滤波元件，通过暗场照明方式即可减弱背景噪声。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。
论文第一作者戴博打了个比方：“显微镜里的细胞就好比星光，我们要用不同的镜片来识别不同的颜色。如果想把这些光点都识别出来，就要不停地换镜片，耗时耗力。我们研究团队使用AI技术颠覆了这一概念，无论天上有多少不同颜色的光点，用一个普通的望远镜就可以全部清晰、快速地识别出来。”
研究中，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，他们还利用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，检测人食管组织、人肝组织切片等一系列生物研究，以及临床检测实验。以往对一份肿瘤切片进行病理检测至少需要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。新技术将为医生精准诊断、守护病患健康提供更多助力。
“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，推动现有生化检测仪器的智能化升级换代。”张大伟说。
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