Révolutionner la pathologie numérique : l’imagerie haut débit ESA-FPM par KFBIO et le SCI Lab

Dans le domaine de la pathologie numérique et de la recherche biomédicale, la demande d’imagerie à haute résolution et à large champ de vision (FOV) est primordiale. Les méthodes traditionnelles, comme les scanners d’imagerie de lames entières (WSI), impliquent souvent un matériel complexe, un balayage mécanique et un compromis fondamental entre la résolution et le champ de vision. La microscopie ptychographique de Fourier (FPM) est apparue comme une alternative computationnelle prometteuse, synthétisant une grande ouverture synthétique à partir de multiples illuminations en angle pour repousser la limite de diffraction. Cependant, son besoin de centaines d’images brutes constituait un goulot d’étranglement majeur en termes d’efficacité.

Pour relever ce défi crucial, KFBIO a collaboré avec le Smart Computational Imaging (SCI) Laboratory de l’Université des sciences et technologies de Nanjing pour développer une solution révolutionnaire : l’Efficient Synthetic Aperture for FPM (ESA-FPM). Cette technologie innovante améliore considérablement le débit d’imagerie, faisant de la pathologie numérique rapide et de haute qualité une réalité concrète.

Le défi : l’efficacité de l’imagerie haut débit

La FPM conventionnelle atteint une grande largeur de bande spatiale en capturant séquentiellement des dizaines, voire des centaines, d’images basse résolution sous diverses illuminations cohérentes. Ce processus garantit la redondance des données pour une convergence algorithmique stable mais entraîne des temps d’acquisition prolongés (souvent plusieurs minutes) et des ensembles de données volumineux. Pour des applications sensibles au temps comme la pathologie peropératoire ou le dépistage à fort volume, cette inefficacité constitue un obstacle majeur.

L’innovation ESA-FPM : illumination hybride pour une efficacité maximale

La percée majeure de l’ESA-FPM réside dans son nouveau schéma d’illumination hybride cohérente et incohérente, qui maximise l’utilité des données extraites de chaque image capturée.

1. Image incohérente en champ clair en une seule prise : Au lieu de LED cohérentes séquentielles, l’ESA-FPM illumine l’échantillon avec toutes les LED de champ clair simultanément. Cette unique image incohérente capture les informations de l’échantillon sur une largeur de bande deux fois supérieure à la limite de diffraction cohérente de l’objectif, en une seule acquisition.

2. Acquisition efficace en champ sombre centro-symétrique : Pour les détails à plus haute résolution, l’ESA-FPM utilise un motif d’illumination LED clairsemé et centro-symétrique. Des paires de LED opposées sont allumées simultanément. Une intuition théorique clé est que pour des échantillons pathologiques colorés (modélisés comme des objets à phase faible), cette illumination symétrique annule les contributions de phase, ne laissant que les informations d’absorption essentielles. Chaque image en champ sombre met ainsi à jour deux régions symétriques dans le spectre de Fourier, doublant l’efficacité.

Grâce à une analyse rigoureuse de la redondance des données, l’équipe a optimisé ce schéma. Résultat : l’ESA-FPM atteint une ouverture synthétique de 3 fois la NA de l’objectif en utilisant seulement 7 images brutes — une acquisition en champ clair et six en champ sombre.

Des performances inégalées : la validation expérimentale

Les avantages de l’ESA-FPM ne sont pas seulement théoriques mais ont été prouvés expérimentalement :

• Résolution équivalente avec 98,4 % de données en moins : En utilisant une mire USAF standard, l’ESA-FPM a atteint une résolution en pleine période de 776 nm, équivalente à la FPM conventionnelle. Cependant, il n’a fallu que 7 images contre 441 pour la FPM, soit une réduction de 98,4 % de l’acquisition de données.

• Vitesse supérieure : Le temps total d’acquisition est passé d’environ 3 minutes (FPM conventionnelle) à environ 1,5 seconde.

• Imagerie pathologique à haut débit : Un système ESA-FPM miniaturisé et personnalisé a été construit pour la pathologie, doté d’un objectif spécialisé 6x/0,35 NA et d’une matrice de LED à haute luminosité. En imagerie d’une lame de métastase ganglionnaire colorée H&E, l’ESA-FPM a produit une image haute résolution et à fort contraste sur un large FOV de 2,19 × 1,46 mm². Il a révélé des détails cellulaires et subcellulaires (comme les noyaux lymphocytaires) avec une clarté égale ou supérieure à un objectif 40x/0,65 NA, mais sur une surface 44,5 fois plus grande.

Pourquoi l’ESA-FPM change la donne en pathologie numérique

La collaboration entre KFBIO et le SCI Lab a abouti à une technologie qui répond directement aux besoins urgents de la pathologie moderne :

• Vitesse : L’imagerie quasi temps réel permet un diagnostic et un dépistage rapides.

• Simplicité & coût : Réduit la complexité du système en minimisant les exigences mécaniques et de contrôle pour le séquençage étendu des LED.

• Haut débit : Offre à la fois un grand FOV et une haute résolution sans balayage, parfait pour créer des « lames numériques » complètes.

• Robustesse : Le modèle hybride et l’algorithme efficace garantissent une convergence stable et une reconstruction de haute qualité à partir de données minimales.

Conclusion : ouvrir la voie à l’avenir de l’imagerie diagnostique

Le développement de l’ESA-FPM marque un bond en avant significatif dans l’imagerie computationnelle. En repensant la stratégie fondamentale d’illumination et d’acquisition de la FPM, KFBIO et le SCI Lab ont créé un outil pratique, efficace et puissant, adapté aux applications biomédicales et pathologiques.

Cette technologie ouvre la voie à une nouvelle génération de microscopes et de scanners haut débit plus rapides, plus compacts et plus accessibles, accélérant en fin de compte les progrès dans le diagnostic des maladies, la biologie cellulaire et la recherche médicale.

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Du laboratoire au produit : moteur du scanner KFBIO à fort grossissement sans immersion à l’huile

La technologie révolutionnaire ESA-FPM ne se limite pas au laboratoire de recherche ; elle est le moteur central du scanner innovant à fort grossissement de KFBIO. Cette application pratique traduit directement les avantages théoriques de l’ESA-FPM en bénéfices transformateurs pour le flux de travail pathologique :

• Vitesse de balayage considérablement accrue : En ne nécessitant que 7 images au lieu de centaines pour synthétiser une image haute résolution et à large FOV, le scanner exploite l’efficacité de l’ESA-FPM pour atteindre des temps de balayage de plusieurs ordres de grandeur plus rapides que les méthodes haute résolution traditionnelles. Cela permet une numérisation rapide des lames entières, indispensable pour les laboratoires de diagnostic à fort volume.

• Suppression de la procédure d’immersion à l’huile : La microscopie haute résolution conventionnelle (100x) repose sur des objectifs à immersion à l’huile pour atteindre une ouverture numérique (NA) élevée, ce qui nécessite un processus salissant et chronophage d’application et de nettoyage de l’huile d’immersion. L’ESA-FPM contourne fondamentalement ce besoin. Il utilise un objectif sec à faible grossissement et haute NA et synthétise informatiquement l’équivalent d’une NA bien plus élevée. Cela permet au scanner KFBIO d’offrir une résolution équivalente à l’immersion à l’huile sans utiliser d’huile, simplifiant les opérations, réduisant les coûts et améliorant la fiabilité du flux de travail.

L’intégration réussie de l’ESA-FPM dans un scanner de qualité commerciale témoigne de la puissante synergie entre l’expertise en ingénierie de KFBIO et l’innovation en imagerie computationnelle du SCI Lab, apportant une solution tangible qui améliore à la fois la vitesse et la simplicité de la pathologie numérique.

Fondement de la recherche
Cet article présente les applications de la technologie ESA-FPM, une percée développée conjointement par KFBIO et le SCI Lab de l’Université des sciences et technologies de Nanjing. La recherche fondatrice est publiée dans :
Fan et al., Laser & Photonics Rev. 2022, 2200201. https://doi.org/10.1002/lpor.202200201