前段時間，電視劇《我是刑警》的播出引發觀眾的熱議，用DNA檢驗技術破案的情節更是牽動人心。利用員警勘查摸排到的“一丁點”生物樣本，檢驗人員如何更快速更精准地找到證據？為了解決微量生物樣本的快速精准檢測難題，上海理工大學科研團隊以“人工智慧驅動科學創新（AI for Science）”為核心理念，研發出“AI螢光成像——無濾波螢光顯微成像技術”，讓生物樣本檢測更高效。

這一成果由中國工程院院士、上海理工大學光電資訊與電腦工程學院院長莊松林，上海理工大學常務副院長張大偉帶領的超精密光學製造團隊與上海交通大學附屬仁濟醫院浦南分院、美國杜克大學合作完成，可廣泛應用於生物診斷、臨床醫學、環境監測、刑偵勘探等領域。相關論文以“支持深度學習的無濾光片螢光顯微鏡”為題日前發表於國際學術期刊《科學》子刊《科學進展》。

AI賦能光學器件

這項研究的初衷並非刑偵應用，而是源於臨床醫學智能化的需求。

3年前，依託上海理工大學醫工交叉專案，上海理工大學教授戴博團隊與上海交通大學附屬仁濟醫院教授管陽太團隊開展了一系列科研合作。合作過程中，雙方意識到，先進的智能光電檢測技術能夠為臨床診斷提供全面、精准、便捷的手段，從而造福廣大病患。無濾波螢光顯微成像技術則脫胎於該專案。作為一項普適的生物醫學檢測技術，它可以從根本上解決傳統螢光顯微成像的痛點。

“螢光成像系統已經被廣泛用於醫學基礎研究與臨床實踐，例如神經免疫病抗體檢測、腫瘤細胞的輔助檢測和定位、藥物在體內分佈和代謝情況的監測等。”管陽太團隊科研助理王侃說，但現有的螢光成像系統，需要裝備二向色鏡、濾光片等多套濾波組件才能滿足多波段螢光成像要求。此外，進行多通道螢光成像時，操作人員要用機械裝置切換螢光濾波組件，不僅耗時、操作繁瑣，且增加了成像系統的複雜性、體積及成本。

戴博團隊“AI賦能光學器件”的研究恰好能解決這一痛點。團隊大膽提出：能否利用AI技術取代傳統光學濾光組件，從而對螢光信號的特異性進行定位及定量分析，實現對生物樣本高效精確地檢測分析。由此展開的“數字虛擬濾波器”研究，成為破解難題的關鍵。

高效還原各類螢光信號

找准攻關方向後，新的難題又擺在研究團隊面前。該研究涉及多學科融合，需要不同領域的學者一起攻關。此前，研究團隊彙集了光學工程、人工智慧及臨床醫學等領域的專家，形成了獨特的跨學科優勢，助推專案最終落地。

團隊從AI技術出發，開發了數字虛擬濾波器，並提出了無濾波螢光顯微成像技術。使用該技術的螢光顯微成像系統，不需要昂貴的螢光濾波元件，通過暗場照明方式即可減弱背景雜訊。成像系統獲取圖像後，通過神經網路，自動選擇螢光通道，準確預測螢光信號。結果表明，無濾波螢光顯微成像系統具有良好的魯棒性，對不同顯微放大倍率、螢光染料濃度、樣品種類，均能高效、精准地還原出螢光信號，實現高靈敏、高特異性螢光成像。

論文第一作者戴博打了個比方：“顯微鏡裏的細胞就好比星光，我們要用不同的鏡片來識別不同的顏色。如果想把這些光點都識別出來，就要不停地換鏡片，耗時耗力。我們研究團隊使用AI技術顛覆了這一概念，無論天上有多少不同顏色的光點，用一個普通的望遠鏡就可以全部清晰、快速地識別出來。”

研究中，團隊針對多色螢光量子點納米顆粒、多種螢光染料共染的細胞、組織切片、動態細胞進行了螢光成像實驗。此外，他們還利用無濾波螢光顯微成像系統進行了成纖維細胞活化蛋白表達分析，檢測人食管組織、人肝組織切片等一系列生物研究，以及臨床檢測實驗。以往對一份腫瘤切片進行病理檢測至少需要20分鐘，而採用這一新技術則僅需4分鐘，效率提高了5倍之多。新技術將為醫生精准診斷、守護病患健康提供更多助力。

“目前提出的無濾波螢光成像技術，在螢光顯微成像系統中得到了初步驗證。該技術存在巨大的研究價值和應用潛力，有待進一步移植到各類螢光檢測相關的儀器中，例如共聚焦顯微鏡、螢光流式細胞儀等，推動現有生化檢測儀器的智能化升級換代。”張大偉說。

來源：科技日報