信息学院任无畏课题组在光学成像领域取得系列进展

近日，上海科技大学信息科学与技术学院智能医学中心的任无畏教授团队在荧光成像领域取得多项进展，在宏观和微观两个层面分别提出创新性的成像仪器系统，为肿瘤诊断和神经科学研究提供可靠而有力的工具。

应用于淋巴结定位的多功能光学断层扫描系统

宏观扩散光学断层扫描（Diffuse Optical Tomography, DOT）是一种无创的三维成像方法，可获取三维的生物组织内部的固有光学性质或外源性荧光分子分布。DOT的图像重建是一个高度病态的反问题，引入包括被测物表面结构在内的先验信息将极大改善该重建问题的病态性从而提高重建精度。研究团队提出了一套带有提取表面信息功能的紧凑光学断层成像系统 (SHMOT)，并使用统一的小孔建模描述三维表面点云提取的照明和检测过程，重建出的表面结构先验信息被用于改善荧光三维重建问题的病态性。仿体和小鼠活体实验表明，SHMOT能够实现高保真的表面信息提取，且仿体表面重建误差最小约为0.1毫米，并辅助生成可靠的高精度的荧光分子重建结果。此外还使用SHMOT实现了对小鼠腋下淋巴结的非侵入性三维定位，证明了其有助于更可靠的荧光断层扫描成像。相对于现有使用CT、MRI手段等来获取表面信息，SHMOT极大降低了设备成本，并解决了多模态技术图像配准的难题。

图1 基于单一可编程扫描仪和统一小孔建模的高保真表面提取多功能光学断层扫描系统

相关研究成果以“ Multifunctional Optical Tomography System with High-fidelity Surface Extraction based on a Single Programmable Scanner and Unified Pinhole Modeling”为题，在生物医学工程领域学术期刊IEEE Transactions on Biomedical Engineering上发表。上海科技大学为论文的唯一完成单位，信息学院任无畏组科研助理高圣宇为第一作者，任无畏教授和姜嘉骅教授为共同通讯作者，朱幸俊教授、娄鑫教授亦对此研究工作给予了指导。

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10345743

应用于小鼠脑成像的微型化荧光显微镜

微型化荧光显微镜（Miniscope）是一种光学元件高度集成的荧光显微镜，高度20毫米左右，质量仅约3克。超小的体积使其可戴在实验动物头上长时间记录自由活动时的神经元活动，是神经科学研究的重要工具。本研究完成了Miniscope的原型机开发，并提出一套用于辅助成像的工具包（MiniMounter），以解决在实际应用中手动调焦难、成像质量无法保证的问题。在仿体实验与动物实验中，MiniMounter均可有效评估对焦的显微镜图像质量，实现自动对焦。在动物实验中，通过该方法可对小鼠脑部的毛细血管精确自动对焦，空间分辨率达到0.8微米，观测到直径5 微米内的毛细血管。在三维成像算法中，采用空间变化反卷积算法（SV-Deconvolution）使得仅有二维成像功能的Miniscope实现了高质量的三维成像。该工具包解决了目前微型化荧光显微镜的痛点问题，以低成本有效提高图像质量，节省实验操作和性能评估的时间，有助于加速微型化显微镜的开发与研究的周期。

相关研究成果以“MiniMounter: a low-cost miniaturized microscopy development toolkit for image quality control and enhancement”为题，在生物光学成像领域学术期刊Journal of Biophotonics上发表。上海科技大学为论文的唯一完成单位，信息学院2023级博士研究生邾馨怡和2022级硕士研究生顾梁韬为共同第一作者，任无畏教授与iHuman研究所的周宁教授为共同通讯作者。

图2 微型化荧光显微镜及其辅助开发工具包

文章链接：https://doi.org/10.1002/jbio.202300214

此外，任无畏教授团队在荧光成像领域的工作近期获得同行的好评。2023年6月举办的第二届生物医学光子学交叉融合学术论坛（BPC2023）上获得优秀海报奖（约8%）。本年度，课题组已经申报多项发明专利，期待技术的成果转化。