- 一种名为DeepDOF的新型显微镜使用人工智能技术，以最少的准备就能快速、廉价地在大组织切片（左图）中对所有细胞进行高分辨率成像，省去了将薄组织切片安装在载玻片上的昂贵和耗时过程（右图）。
当外科医生切除肿瘤时，首先要问的一个问题是，“他们全部切除了吗？”来自莱斯大学和德克萨斯大学安德森癌症中心的研究人员发明了一种新型显微镜，它可以快速而廉价地为大组织切片成像，有可能在手术过程中找到答案。这种显微镜可以快速成像细胞分辨率相对较厚的组织，并允许外科医生在切除肿瘤的几分钟内检查肿瘤边缘。它是由莱斯大学的工程师和应用物理学家发明的，本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究对此进行了描述。“手术的主要目的是移除所有的癌细胞，但要知道你是否得到了一切，唯一的方法就是在显微镜下观察肿瘤，”莱斯大学的玛丽金说，她是电气和计算机工程专业的博士生，也是该研究的第一作者之一。“今天，你只能先把组织切成极薄的切片，然后分别成像。这种切片过程需要昂贵的设备，随后的多片成像是耗时的。我们的项目基本上是直接对大面积组织成像，不需要任何切片。”Rice的深度学习扩展景深显微镜（简称DeepDOF）利用一种被称为深度学习的人工智能技术来训练计算机算法，以优化图像采集和图像后处理。对于传统的显微镜来说，空间分辨率和景深之间需要权衡，这意味着只有距离镜头相同的物体才能清晰地对焦。即使距离显微镜物镜只有百万分之一米误差也会显得模糊。由于这个原因，显微镜样本通常是薄的，并安装在玻片之间。今天，玻片被用于检查肿瘤边缘，而且不容易准备。被移除的组织通常会被送到医院的实验室，在那里，专家们要么将其冷冻，要么用化学物质对其进行预处理，然后制作出极薄的切片，并将其安装在载玻片上。这个过程很耗时，需要专门的设备和受过训练的医生。在手术过程中，医院有能力检查肿瘤边缘的幻灯片是很少见的，世界上许多地方的医院缺乏必要的设备和专业知识。自100多年前首次引进以来，目前用于手术中边缘状态评估的方法并没有显著改变，通过将精确评估切缘状态的能力带到更多的治疗部位，DeepDOF有可能改善癌症患者接受手术治疗的结果。DeepDOF使用一个标准光学显微镜和一个便宜的光学相位掩模（成本不到10美元）对整个组织进行成像，并提供比当今最先进的显微镜多五倍的视野深度。传统上，像相机和显微镜这样的成像设备的设计与成像处理软件和算法是分开的DeepDOF是首批考虑后处理算法设计的显微镜之一。相位遮罩被放置在显微镜物镜上，以便进入显微镜的光线模组。这种控制有助于确保应用于捕获图像的去模糊算法能够比传统显微镜在更广的深度范围内恢复高频纹理信息。DeepDOF在不牺牲空间分辨率的情况下做到了这一点。- 深度学习扩展景深显微镜对猪组织进行成像时的一个切片。
事实上，相位掩模模式和去模糊算法的参数都是使用深度神经网络学习的，这使我们能够进一步提高性能。DeepDOF使用了一种深度学习神经网络，这是一种专家系统，可以通过研究大量数据来学习做出类似人类的决定。为了训练DeepDOF，研究人员向它展示了来自组织切片数据库的1200张图像。DeepDOF学会了如何为特定样本选择最佳的相位掩模，还学会了如何消除从样本捕获的图像中的模糊，使不同深度的细胞聚焦。一旦选定的相位掩模被打印并集成到显微镜中，系统一次性捕获图像，然后通过机器学习算法进行去模糊。莱斯大学的马尔科姆·吉利斯教授、表示，DeepDOF可以在短短两分钟内捕捉和处理图像。现在，研究人员已经验证了这项技术，并展示了原理证明。需要进行临床研究来确定DeepDOF是否可以作为手术中切缘评估的建议。这将在明年开始临床验证。
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