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AI熒光成像新突破！讓生物檢測更快速精準(zhǔn)，效率提升5倍

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2025年01月08日 09:26

近期熱播電視劇《我是刑警》中，DNA檢驗破案的環(huán)節(jié)牽動人心。警察辛苦勘察摸排得到的“一丁點(diǎn)”生物樣本，如何能在檢驗人員手里更快速高效地查出真相，更精準(zhǔn)地讓證據(jù)“說話”？對此，上海理工大學(xué)科研團(tuán)隊以AI for Science為核心理念的新成果，將為生物檢測技術(shù)升級提供一個顛覆性的答案。

該成果由上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院莊松林院士、常務(wù)副院長張大偉教授帶領(lǐng)的超精密光學(xué)制造團(tuán)隊與上海交通大學(xué)附屬仁濟(jì)醫(yī)院浦南分院、美國杜克大學(xué)合作，創(chuàng)新提出了“AI熒光成像——無濾波熒光顯微成像技術(shù)”，可廣泛應(yīng)用于生物診斷、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、刑偵勘探等領(lǐng)域。相關(guān)論文“支持深度學(xué)習(xí)的無濾光片熒光顯微鏡”發(fā)表在《科學(xué)》（Science）子刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

不止是刑偵，讓臨床醫(yī)學(xué)研究更智能化

有意思的是，這一研究最初的靈感并非來自“刑偵”，而是為了推動臨床醫(yī)學(xué)研究更加智能化。

早在三年前，借助上海理工大學(xué)醫(yī)工交叉項目，上海理工大學(xué)戴博教授與仁濟(jì)醫(yī)院管陽太教授團(tuán)隊就開展過科研合作。在項目推進(jìn)過程中，管陽太教授科研助理王侃醫(yī)生談道：“熒光成像系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛用于醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究與臨床實踐，例如進(jìn)行神經(jīng)免疫病抗體檢測、輔助腫瘤細(xì)胞的檢測和定位、監(jiān)測藥物在體內(nèi)的分布和代謝情況等。然而，現(xiàn)有的熒光成像系統(tǒng)需要裝備多套濾波組件（二向色鏡、濾光片等），才能滿足多波段熒光成像的需求。此外，面向多通道熒光成像時，操作人員機(jī)械式切換熒光濾波組件，不僅耗時、操作繁瑣，無法滿足高速成像的應(yīng)用，而且增加了成像系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積及成本。是否可以借助AI之力為熒光成像系統(tǒng)賦能？”

這一想法恰巧與戴博“將AI賦能精密光學(xué)器件及系統(tǒng)”的計劃不謀而合。他們提出一個大膽的設(shè)想，利用AI技術(shù)取代傳統(tǒng)光學(xué)濾光組件，實現(xiàn)熒光信號的特異性定位及定量分析，從而對生物樣本進(jìn)行高效、精確的檢測和分析。其中，開展數(shù)字虛擬濾波器的研究成為解鎖這一問題的鑰匙。

無濾波熒光顯微成像技術(shù)

醫(yī)工交叉深度探索微觀世界

在張大偉、戴博團(tuán)隊里，既有光學(xué)工程、儀器科學(xué)的專家，又有從事人工智能領(lǐng)域研究的學(xué)者，團(tuán)隊還一直和臨床醫(yī)生長期合作……多個交叉學(xué)科融合，助推了項目的最終落地。

團(tuán)隊從AI技術(shù)出發(fā)，開發(fā)了“數(shù)字虛擬濾波器（digital optical filter）”，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)，可完全摒棄昂貴的熒光濾波元件，通過暗場照明方式，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)自動選擇熒光通道，準(zhǔn)確預(yù)測熒光信號。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，實現(xiàn)高靈敏、高特異性熒光成像。

戴博打了個比方：“顯微鏡里的細(xì)胞就好比天際各種顏色的星光，我們要用不同的鏡片來識別不同的顏色。那么，想把這些光點(diǎn)都識別出來，就要不停的換鏡片，耗時耗力。研究團(tuán)隊使用AI技術(shù)顛覆了這一概念，也就是說，無論天上有多少顏色的光點(diǎn)，我們用一個普通的望遠(yuǎn)鏡就可以全部清晰、快速地識別出來?！?/p>

研究中，團(tuán)隊針對多色熒光量子點(diǎn)納米顆粒、多種熒光染料共染的細(xì)胞、組織切片、動態(tài)細(xì)胞進(jìn)行了熒光成像實驗。此外，還利用研制的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、人食管組織/人肝組織切片檢測等一系列生物研究、臨床檢測的實驗。以往，一份腫瘤切片的病理檢測需要至少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，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，我們提出的無濾波熒光成像技術(shù)在熒光顯微成像系統(tǒng)中得到了初步驗證，該技術(shù)存在巨大的研究價值和應(yīng)用潛力，有待進(jìn)一步移植到各類熒光檢測相關(guān)的儀器中，例如共聚焦顯微鏡、熒光流式細(xì)胞儀等。這有望推動現(xiàn)有生化檢測儀器的智能化升級換代?！睆埓髠フf。

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