Revolucionando la patología digital: imágenes de alto rendimiento ESA-FPM de KFBIO y SCI Lab

En el campo de la patología digital y la investigación biomédica, la demanda de imágenes de alta resolución y amplio campo de visión (FOV) es primordial. Los métodos tradicionales, como los escáneres de imágenes de diapositivas completas (WSI), a menudo implican hardware complejo, escaneo mecánico y un compromiso fundamental entre resolución y FOV. La microscopía ptográfica de Fourier (FPM) surgió como una alternativa computacional prometedora, sintetizando una gran apertura sintética a partir de iluminaciones de múltiples ángulos para romper el límite de difracción. Sin embargo, su necesidad de cientos de imágenes sin procesar ha sido un importante obstáculo para la eficiencia.

Para abordar este desafío crítico,KFBIOcolaboró ​​con elLaboratorio de imágenes computacionales inteligentes (SCI) de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjingpara desarrollar una solución innovadora: elApertura sintética eficiente para FPM (ESA-FPM). Esta innovadora tecnología mejora drásticamente el rendimiento de las imágenes, haciendo que la patología digital rápida y de alta calidad sea una realidad práctica.

El desafío: eficiencia en imágenes de alto rendimiento

El FPM convencional logra un alto ancho de banda espacial al capturar secuencialmente docenas o incluso cientos de imágenes de baja resolución bajo variadas iluminaciones coherentes. Este proceso garantiza la redundancia de datos para una convergencia algorítmica estable, pero da como resultado tiempos de adquisición prolongados (a menudo minutos) y grandes conjuntos de datos. Para aplicaciones urgentes, como patología intraoperatoria o detección de gran volumen, esta ineficiencia es una barrera importante.

La innovación ESA-FPM: iluminación híbrida para máxima eficiencia

El principal avance de ESA-FPM reside en su novedosaEsquema de iluminación híbrido coherente e incoherente., que maximiza la utilidad de los datos de cada imagen capturada.

1. Imagen de campo brillante incoherente de un solo disparo:En lugar de LED coherentes secuenciales, ESA-FPM ilumina la muestra con todos los LED de campo brillante simultáneamente. este sencilloincoherenteLa imagen captura información de muestra a través de un ancho de banda.dos vecesel del límite de difracción coherente de la lente objetivo en una adquisición.

2. Adquisición eficiente de campo oscuro centrosimétrico:Para obtener detalles de mayor resolución, ESA-FPM emplea un patrón de iluminación LED centrosimétrico y disperso. Los pares de LED opuestos se encienden simultáneamente. Una idea teórica clave es que para muestras patológicas teñidas (modeladas como objetos de fase débil), esta iluminación simétrica anula las contribuciones de fase, dejando solo la información de absorción crucial.Cada imagen de campo oscuro actualiza así dos regiones simétricas en el espectro de Fourier., duplicando la eficiencia.

Mediante un riguroso análisis de redundancia de datos, el equipo optimizó este esquema. El resultado:ESA-FPM logra una apertura sintética de 3x la NA del objetivo usando solo 7 imágenes sin procesar—una adquisición de campo brillante y seis de campo oscuro.

Rendimiento inigualable: validación experimental

Las ventajas de ESA-FPM no son sólo teóricas sino que están demostradas experimentalmente:

• Coincidencia de resolución con un 98,4% menos de datos:Utilizando un objetivo estándar de la USAF, la ESA-FPM logró una resolución de paso completo de 776 nm,equivalente a FPM convencional. Sin embargo, sólo requería7 imágenes comparadas con las 441 de FPM, representando un98,4% de reducción en la adquisición de datos.

• Velocidad superior:El tiempo total de adquisición se redujo de aproximadamente 3 minutos (FPM convencional) a aproximadamente1,5 segundos.

• Imágenes patológicas de alto rendimiento:Se construyó un sistema ESA-FPM miniaturizado y personalizado para patología, con un objetivo especializado de 6x/0,35 NA y una matriz de LED de alto brillo. Al obtener imágenes de un portaobjetos de metástasis de ganglios linfáticos teñido con H&E, ESA-FPM produjo una imagen de alta resolución y alto contraste en un gran campo de visión de2,19 x 1,46 mm². Reveló detalles celulares y subcelulares (como núcleos de linfocitos) con una claridad que iguala o supera la de un objetivo de 40x/0,65 NA, pero en un área44,5 veces más grande.

Por qué ESA-FPM cambia las reglas del juego para la patología digital

La colaboración entre KFBIO y SCI Lab ha dado como resultado una tecnología que aborda directamente las necesidades apremiantes de la patología moderna:

• Velocidad:Las imágenes casi en tiempo real permiten un diagnóstico y detección rápidos.

• Simplicidad y Costo:Reduce la complejidad del sistema al minimizar los requisitos mecánicos y de control para una secuenciación extensa de LED.

• Alto rendimiento:Ofrece un gran campo de visión y alta resolución sin escanear, perfecto para crear “diapositivas digitales” integrales.

• Robustez:El modelo híbrido y el algoritmo eficiente garantizan una convergencia estable y una reconstrucción de alta calidad a partir de datos mínimos.

Conclusión: pioneros en el futuro del diagnóstico por imágenes

El desarrollo de ESA-FPM marca un importante avance en el campo de las imágenes computacionales. Al repensar la estrategia fundamental de iluminación y adquisición de FPM, KFBIO y SCI Lab han creado una herramienta práctica, eficiente y poderosa diseñada para aplicaciones biomédicas y patológicas.

Esta tecnología allana el camino para microscopios y escáneres de alto rendimiento de próxima generación que son más rápidos, compactos y accesibles, lo que en última instancia acelera los avances en el diagnóstico de enfermedades, la biología celular y la investigación médica.

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Del laboratorio al producto: potenciando el escáner sin inmersión en aceite de alto aumento KFBIO

La innovadora tecnología ESA-FPM no se limita al laboratorio de investigación; es el motor central detrásEl innovador escáner de gran aumento del KFBIO. Esta aplicación práctica traduce directamente las ventajas teóricas de ESA-FPM en beneficios transformadores para el flujo de trabajo patológico:

• Velocidad de escaneo dramáticamente aumentada:Al requerirsólo 7 imágenes en lugar de cientosPara sintetizar una imagen de alta resolución y gran campo de visión, el escáner aprovecha la eficiencia de ESA-FPM para lograr tiempos de escaneo órdenes de magnitud más rápidos que los métodos tradicionales de alta resolución. Esto permite una rápida digitalización de portaobjetos completos, crucial para laboratorios de diagnóstico de gran volumen.

• Eliminación del procedimiento de inmersión en aceite:La microscopía convencional de alta resolución (100x) se basa en lentes objetivos de inmersión en aceite para lograr una alta apertura numérica (NA), lo que requiere un proceso complicado y lento de aplicación y limpieza del aceite de inmersión. ESA-FPM fundamentalmente evita esta necesidad. Élutiliza una lente de objetivo seco de bajo aumento y alta NAy sintetiza computacionalmente el equivalente de una NA mucho más alta. Esto permite que el escáner KFBIO entregueResolución de nivel de inmersión en aceite sin aceite., agilizando las operaciones, reduciendo costos y mejorando la confiabilidad del flujo de trabajo.

Esta integración exitosa de ESA-FPM en un escáner de calidad comercial es un testimonio de la poderosa sinergia entre la experiencia en ingeniería de KFBIO y la innovación en imágenes computacionales de SCI Lab, que ofrece una solución tangible que mejora tanto la velocidad como la simplicidad de la patología digital.

Fundación de Investigación
Este artículo presenta aplicaciones de la tecnología ESA-FPM, un avance desarrollado conjuntamente por KFBIO y el Laboratorio SCI de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing. La investigación fundamental se publica en:
Fan et al., Laser & Fotónica Rev. 2022, 2200201.https://doi.org/10.1002/lpor.202200201