近期，電視劇《我是刑警》吸引諸多觀眾的熱議，其中DNA檢驗破案的環(huán)節(jié)更是牽動人心。警察辛苦勘察摸排得到的“一丁點”生物樣本，如何能在檢驗人員手里更快速高效地查出真相，更精準地讓證據(jù)“說話”？對此，上海理工大學科研團隊以AI for Science（人工智能驅(qū)動科學創(chuàng)新）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光電信息與計算機工程學院莊松林院士、常務副院長張大偉教授帶領(lǐng)的超精密光學制造團隊與上海交通大學附屬仁濟醫(yī)院浦南分院、美國杜克大學合作，創(chuàng)新提出了“AI熒光成像——無濾波熒光顯微成像技術(shù)”，可廣泛應用于生物診斷、臨床醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、刑偵勘探等領(lǐng)域，相關(guān)論文“支持深度學習的無濾光片熒光顯微鏡（Deep learning-enabled filter-free fluorescence microscope）”發(fā)表在《科學》（Science）子刊《科學進展》（Science Advances）上。上海理工大學戴博教授為第一作者，張大偉教授、上海交通大學醫(yī)學院附屬仁濟醫(yī)院浦南分院管陽太教授和美國杜克大學Tony Jun Huang教授為通訊作者，碩士研究生游少杰、博士研究生龍嚴和陳鈞一參與研究工作。

不謀而合，醫(yī)工交叉再升級

這一研究最初并非為了“刑偵”，而是為了推動臨床醫(yī)學研究更加智能化。

早在三年前，借助上海理工大學醫(yī)工交叉項目之力，戴博教授與仁濟醫(yī)院管陽太教授團隊就開展過科研合作。在項目推進過程中，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)學的基礎(chǔ)研究與臨床實踐，例如進行神經(jīng)免疫病抗體檢測，輔助腫瘤細胞的檢測和定位，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用，而且增加了成像系統(tǒng)的復雜性、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，是否能利用AI技術(shù)取代傳統(tǒng)光學濾光組件？從而實現(xiàn)熒光信號的特異性定位及定量分析，實現(xiàn)對生物樣本的高效和精確的檢測和分析，其中，開展數(shù)字虛擬濾波器的研究成為解鎖問題的鑰匙。

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無濾波熒光顯微成像技術(shù)

精韌不怠，深度探索微觀世界

除了找準攻關(guān)方向，張大偉、戴博團隊還有一個特點：團隊里既有光學工程、儀器科學的專家，又有從事人工智能領(lǐng)域研究的學者，團隊還一直和臨床醫(yī)生長期合作……團隊交叉學科的融合，助推了項目的最終落地。

團隊從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，準確預測熒光信號。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，那么想把這些光點都識別出來，就要不停的換鏡片，耗時耗力。我們研究團隊使用AI技術(shù)顛覆了這一概念，也就是說無論天上有多少顏色光點，我們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，科研團隊針對多色熒光量子點納米顆粒、多種熒光染料共染的細胞、組織切片、動態(tài)細胞進行了熒光成像實驗。此外，還利用研制的無濾波熒光顯微成像系統(tǒng)進行了成纖維細胞活化蛋白表達分析、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。以往對一份腫瘤切片進行病理檢測需要至少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)生精準診斷、守護病患健康提供更多的助力。

“目前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用潛力，有待進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、熒光流式細胞儀等，有望顛覆式推動現(xiàn)有生化檢測儀器的智能化升級換代�！睆埓髠フ劦�。

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HEK293T細胞熒光成像圖（3色熒光）

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人肝組織切片熒光成像圖（3色熒光）

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq2494