來源: 高分子科學(xué)前沿 

骨標(biāo)本快速病理檢查是醫(yī)療實(shí)踐中的一項(xiàng)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。對(duì)于需要切除原發(fā)性骨腫瘤的骨科腫瘤醫(yī)生，通常會(huì)避免使用術(shù)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(jìn)行傳統(tǒng)病理檢查，而脫鈣過程耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)天。

為了確定切除的骨質(zhì)邊緣，骨科腫瘤醫(yī)生通常需要依靠術(shù)前X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描或磁共振成像。然而，這些術(shù)前檢查無法進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，也不能在術(shù)中確認(rèn)腫瘤邊緣。在骨肉瘤中，術(shù)前影像檢查可能導(dǎo)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(jīng)、血管或關(guān)節(jié)等重要部位的損失。

基于這一挑戰(zhàn)，加州理工學(xué)院的汪立宏院士團(tuán)隊(duì)和加州大學(xué)洛杉磯分校Brooke Crawford團(tuán)隊(duì)通過紫外線光聲顯微鏡對(duì)組織進(jìn)行實(shí)時(shí)三維輪廓掃描，可用于術(shù)中評(píng)估未脫鈣和脫鈣的厚的骨骼標(biāo)本。通過生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的無監(jiān)督學(xué)習(xí)，可以對(duì)紫外線光聲顯微鏡圖像進(jìn)行虛擬染色，使病理學(xué)家能夠輕易地識(shí)別癌癥特征。這種無需進(jìn)行組織切片且無標(biāo)記的檢查，可用于快速診斷骨組織的病變，并幫助術(shù)中確定腫瘤邊緣。相關(guān)成果以“Label-free intraoperative histology of bone tissue via deep-learning-assisted ultraviolet photoacoustic microscopy”發(fā)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(tǒng)

作為一種混合成像方式，光聲斷層掃描通過光吸收檢測(cè)內(nèi)源性或外源性造影劑誘導(dǎo)的超聲波信號(hào)。與波長(zhǎng)有關(guān)的吸收使其能夠定量測(cè)量不同光吸收劑的濃度和分布，而散射較小的超聲檢測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)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(xué)衍射限制的分辨率實(shí)現(xiàn)。紫外線光聲顯微鏡系統(tǒng)采用266納米的納秒脈沖激光對(duì)DNA/RNA進(jìn)行成像。由于紫外光的穿透力小于聲學(xué)分辨率，不會(huì)產(chǎn)生深層的光聲信號(hào)與表面信號(hào)混淆，可以直接對(duì)厚的骨骼標(biāo)本的表面進(jìn)行成像。3D 輪廓掃描 UV-PAM可以對(duì)具有粗糙表面的厚標(biāo)本進(jìn)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(tǒng)的示意圖以及用于 PAM 圖像虛擬染色的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

厚骨骼標(biāo)本無標(biāo)記成像

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

圖二、未經(jīng)處理的厚骨標(biāo)本3D 輪廓掃描 UV-PAM 圖像

基于深度學(xué)習(xí)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(jiān)督深度學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)虛擬染色。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練有素的情況下，對(duì)1,600×1,600像素的圖像進(jìn)行虛擬染色只需不到5秒。相對(duì)于傳統(tǒng)骨組織學(xué)技術(shù)需要7天時(shí)間脫鈣，光聲組織學(xué)技術(shù)可以在11分鐘內(nèi)對(duì)未經(jīng)處理的骨骼標(biāo)本進(jìn)行成像，用于病理檢查（0.625微米步長(zhǎng)，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(xué)習(xí)的UV-PAM 圖像虛擬染色

作者簡(jiǎn)介

汪立宏，加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系與電子工程系Bren講席教授，國(guó)際生物醫(yī)學(xué)光學(xué)協(xié)會(huì)主席。主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)光子學(xué)，在Nature、Science等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文500余篇。分別于1984年和1987年獲華中科技大學(xué)理學(xué)學(xué)士和理學(xué)碩士學(xué)位；1992年獲萊斯大學(xué)博士學(xué)位。2018年2月，汪立宏教授因在光聲生物醫(yī)學(xué)成像及超快成像領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，當(dāng)選美國(guó)國(guó)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(xué)前沿

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