為提升各種場景下熒光成像性能，北京大學(xué)席鵬團(tuán)隊和深圳大學(xué)屈軍樂團(tuán)隊合作，另辟蹊徑，通過計算機(jī)視覺與熒光顯微的融合，提出了一種暗通道光學(xué)層切算法，僅用單幀圖像即可高效去除圖像的離焦背景，使顯微成像性能得到大幅提升，為深部生物組織研究、病理診斷及深層活體動態(tài)觀測開辟全新可能。相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然·方法》上。
席鵬告訴記者，現(xiàn)代顯微成像技術(shù)之基石，在于克服樣品中熒光散射的技術(shù)突破，如多光子成像技術(shù)、光片顯微技術(shù)、組織透明化等。然而，基于光學(xué)的層切技術(shù)常常會帶來系統(tǒng)成本、時間分辨率與光毒性的提升，基于生物的層切技術(shù)又會導(dǎo)致樣品處理復(fù)雜性的提高。此外，即使是最先進(jìn)的光學(xué)成像技術(shù)，在面對深層樣本的成像中，依然會由于深層散射而產(chǎn)生離焦背景，影響對精細(xì)生物結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)觀察。
暗通道新技術(shù)的提出，受到了自然圖像去霧啟發(fā)。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，熒光圖像中的離焦背景與自然圖像的霧霾呈現(xiàn)出分布相似性。基于此，研究團(tuán)隊開發(fā)了適用熒光圖像的背景去除技術(shù)——暗通道光學(xué)層切。該技術(shù)通過高低頻分離以保留圖像的弱小信號，僅將低頻部分進(jìn)行去背景處理，并通過迭代濾除進(jìn)行單次或多次的背景去除以適用不同場景。
通過聯(lián)合交叉驗證，研究團(tuán)隊證明，這一新技術(shù)能基于寬場圖像達(dá)到共聚焦、光層切、雙光子成像效果，并能在深層組織成像時進(jìn)一步提升光學(xué)層切能力。
研究團(tuán)隊進(jìn)一步展現(xiàn)了這項新技術(shù)在不同顯微成像中的應(yīng)用。在高通量光片成像中，它能顯著提升小鼠全腦成像質(zhì)量。在活體小動物成像當(dāng)中，該技術(shù)能通過降低散射背景，提升小鼠身體組織的血管成像清晰度。在深層神經(jīng)元成像中，它能顯著提升基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)元分割提取度，原先難以分辨的神經(jīng)元得以顯現(xiàn)。“可以說，這一新技術(shù)不僅能高效去除離焦背景，還可將熒光圖像變得更清晰。比如在病理研究中，它能獲得全組織的清晰三維病理信息，協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行綜合且全面的病理診斷，獲得更為精確的細(xì)胞核計數(shù)。”席鵬說。
此外，研究團(tuán)隊還驚喜發(fā)現(xiàn)，暗通道新技術(shù)可廣泛應(yīng)用于提升不同光學(xué)顯微技術(shù)的硬件成像效果與重建算法效果。席鵬告訴記者：“它不僅適用于寬場成像、光片成像等硬件模態(tài)，進(jìn)一步提升光學(xué)層切與偏振解析能力，更適用于熒光漲落成像、二維或三維結(jié)構(gòu)光照明成像等，可顯著降低成像偽影，并進(jìn)一步提升多種熒光圖像增強(qiáng)算法的分辨率。”
文章審稿人對這一成果給予了高度評價：“作者基于多種顯微成像數(shù)據(jù)對所提方法進(jìn)行了全面驗證，其突出優(yōu)勢在于顯著提升了圖像分割的精度與保真度。”
席鵬告訴記者，通過計算機(jī)視覺與熒光顯微成像的組合創(chuàng)新，暗通道新技術(shù)無需額外的成像成本，極大提升了各類熒光成像模態(tài)的層切性能。未來，這一技術(shù)有望集成于各類顯微技術(shù)，在不增加成本前提下提升顯微系統(tǒng)成像性能。
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