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Credit: ©《中国科学》杂志社
现代生物医学领域中，病理学是基础研究和临床医学之间的“桥梁”。传统病理学方法主要通过光学显微镜的目镜进行肉眼观察，这无疑非常耗时且易误判、漏判。得益于现代数字成像器件的发明，通过将传统目镜观测替换为数字成像器件的数字病理学成为当前主要研究趋势。然而，现代光学显微镜存在很重要的限制便是分辨率与视场的权衡关系。要想无损失地突破这一限制，一种传统思路是先获得高分辨率再获得大视场，即使用高倍率物镜及电动平移台扫描视场进行拼接。但由于电子漂移可能存在拼接伪影问题，且扫描、重聚焦、拼接过程相对耗时，并且电动平移台和高数值孔径(NA)物镜的造价较高，这仍然限制了单位时间内的成像通量。
傅里叶叠层显微成像(Fourier ptychographic microscopy, FPM)是一种极具前景的新一代计算光学成像技术，它融合了光学的相位恢复与微波的合成孔径，能够以低NA物镜实现大视场的同时实现高分辨率和定量相位成像，消除了数字病理学中的伪影现象，提高成像通量和效率。然而传统FPM彩色化要对三波长进行重复操作，故其效率偏低。
SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 近期出版了封面文章，题为“High-throughput fast full-color digital pathology based on Fourier ptychographic microscopy via color transfer”，由西安光机所潘安副研究员和马彩文研究员担任通讯作者。该研究提出了一种基于彩色传递的全彩色化方法，命名为CFPM。实验中比较了30组不同样本CFPM的成像情况，相比于传统方法，CFPM以平均0.4%的精度损失换得了数据采集和重构时间2/3的缩减，使得彩色成像的效率大大提升。CFPM方法不需要交叠率、采样率、训练数据集等其他要求，易于操作与推广。此外，CFPM可看作是基于物理模型的“无监督迁移学习”，但相比于传统迁移学习，它无需迭代优化过程，这可能给传统迁移学习的可解释性问题提供新的启示。
论文第一作者高宇婷介绍：“本文灵感来源于颜色匹配的思想。所谓颜色匹配，就是将施主图像的色调信息传递到受主图像上，使得受主图像拥有与施主图像相同的‘颜色风格’，进而也能使平常人‘画’出梵高风格的画。彩色传递思想则是将原先R/G/B三通道变为L/a/b的两通道模式，将亮度(灰度)信息与彩色纹理信息相分离，通过将低分辨率彩色施主图像的彩色信息传递到高分辨率灰度的受主图像上，使得受主图像同时拥有高分辨率和彩色纹理。”
据潘安副研究员评论，该技术有两个难点，一是如何确保颜色的真实性及显示过程中的正确性；二是如何在效率提升的过程中保证彩色传递的精度。为此，该研究建立了FPM技术的CIE-XYZ彩色空间及不同彩色空间的显示映射关系；比较了不同的彩色传递方案，发现采用低分辨率相同视场的彩色图像作为施主图像是最佳的，同时也证明了用于传递的低分辨率彩色图像具有足够的彩色纹理信息。谈及未来的应用，潘安表示：“通过把光学显微镜低分辨率的真彩色纹理信息传递给电子显微镜，该方法启示了我们可以为电镜的黑白图像染上真彩色”。
潘安、马彩文、姚保利团队在计算光学显微成像、光场调控、光学微操纵等方面开展了长期的研究工作。课题组密切关注该学科国内外的发展动态，做了大量的基础性研究工作，积累了丰富的经验。该项目前期所开展的基础性研究得到了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、面上项目等支持，为该研究实现关键技术攻关及预期研究目标奠定了良好的基础。
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