來源: 高分子科學前沿 

骨標本快速病理檢查是醫療實踐中的一項長期挑戰。對于需要切除原發性骨腫瘤的骨科腫瘤醫生，通常會避免使用術中骨組織冷凍切片檢查，這是由于未脫鈣的骨組織無法直接切成足夠薄的切片進行傳統病理檢查，而脫鈣過程耗時長達數天。

為了確定切除的骨質邊緣，骨科腫瘤醫生通常需要依靠術前X射線計算機斷層掃描或磁共振成像。然而，這些術前檢查無法進行準確的診斷，也不能在術中確認腫瘤邊緣。在骨肉瘤中，術前影像檢查可能導致需要切除的骨邊緣比必要的范圍寬10倍，造成如肌腱、神經、血管或關節等重要部位的損失。

基于這一挑戰，加州理工學院的汪立宏院士團隊和加州大學洛杉磯分校Brooke Crawford團隊通過紫外線光聲顯微鏡對組織進行實時三維輪廓掃描，可用于術中評估未脫鈣和脫鈣的厚的骨骼標本。通過生成對抗網絡的無監督學習，可以對紫外線光聲顯微鏡圖像進行虛擬染色，使病理學家能夠輕易地識別癌癥特征。這種無需進行組織切片且無標記的檢查，可用于快速診斷骨組織的病變，并幫助術中確定腫瘤邊緣。相關成果以“Label-free intraoperative histology of bone tissue via deep-learning-assisted ultraviolet photoacoustic microscopy”發表于近新一期Nature Biomedical Engineering。

三維輪廓掃描紫外線光聲顯微鏡系統

作為一種混合成像方式，光聲斷層掃描通過光吸收檢測內源性或外源性造影劑誘導的超聲波信號。與波長有關的吸收使其能夠定量測量不同光吸收劑的濃度和分布，而散射較小的超聲檢測能夠實現高分辨率的深層組織成像。

光聲顯微鏡是PAT的一種方式，通常以光學衍射限制的分辨率實現。紫外線光聲顯微鏡系統采用266納米的納秒脈沖激光對DNA/RNA進行成像。由于紫外光的穿透力小于聲學分辨率，不會產生深層的光聲信號與表面信號混淆，可以直接對厚的骨骼標本的表面進行成像。3D 輪廓掃描 UV-PAM可以對具有粗糙表面的厚標本進行直接成像，為未脫鈣厚骨的快速病理診斷提供了可能性。

圖一、3D 輪廓掃描 UV-PAM 系統的示意圖以及用于 PAM 圖像虛擬染色的深度學習網絡架構

厚骨骼標本無標記成像

為證明未經處理的厚骨標本的成像效果，以便進行快速的病理診斷，從腫瘤切除手術中提取了患者的礦化原生骨標本。與2D 光柵掃描相比，3D 輪廓掃描分辨率一致，圖像質量得到改善。同時，可以通過UV-PAM觀察到重要的骨結構，如骨小梁和骨髓，具有標本的完整性。由于 UV-PAM 成像是非破壞性的，未經處理的骨標本可用于進一步的病理診斷。

圖二、未經處理的厚骨標本3D 輪廓掃描 UV-PAM 圖像

基于深度學習的UV-PAM 圖像虛擬染色

獲取樣本表面的灰度UV-PAM圖像后，使用基于CycleGAN的無監督深度學習方法實現虛擬染色。在神經網絡訓練有素的情況下，對1,600×1,600像素的圖像進行虛擬染色只需不到5秒。相對于傳統骨組織學技術需要7天時間脫鈣，光聲組織學技術可以在11分鐘內對未經處理的骨骼標本進行成像，用于病理檢查（0.625微米步長，1×1平方毫米FOV），使得快速診斷未處理的骨骼成為可能。

圖三、基于深度學習的UV-PAM 圖像虛擬染色

作者簡介

汪立宏，加州理工學院醫學工程系與電子工程系Bren講席教授，國際生物醫學光學協會主席。主要研究方向為生物醫學光子學，在Nature、Science等學術刊物上發表論文500余篇。分別于1984年和1987年獲華中科技大學理學學士和理學碩士學位；1992年獲萊斯大學博士學位。2018年2月，汪立宏教授因在光聲生物醫學成像及超快成像領域的突出貢獻，當選美國國家工程院院士。

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https://www.nature.com/articles/s41551-022-00940-z

來源：高分子科學前沿

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