沈元星：数字化全偏振病理检测系统设计及应用|SIGS优硕风采 | 图像
编者按
2021年，清华大学深圳国际研究生院校优秀硕士学位论文篇数再创历年新高，占全校优秀硕士论文31%，共有63篇荣获清华大学优秀硕士学位论文，其中44篇为我院专职教师指导。本系列推送将向大家展示我院获奖同学的科研成果风采。
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论文中文标题：数字化全偏振病理检测系统设计及应用
论文英文标题:Design and Application of Digital Full Polarization Pathological Detection System
作 者：沈元星
指导教师：何宏辉
培养院系：医学院
学 科：生物医学工程
学习感言：独立思考做研究，脚踏实地干工程。
获得荣誉：清华大学深圳国际研究生院第六届专业实践奖一等奖
研究背景/选题意义/研究价值
偏振光学成像与检测方法具有非标记、低损伤、定量化、信息量大的优势。目前，面向生物医学应用已发展出基于穆勒矩阵测量的全偏振显微镜，并初步应用于癌组织病理诊断及分期等，同时大数据和人工智能技术的迅速发展，使得可获得高质量、海量的原始病理图像和数据的数字病理系统成为未来支撑病理学发展的关键。本研究将全偏振显微成像方法与数字病理技术结合，设计开发了数字化全偏振病理检测系统，并根据实际应用需求进行了针对性优化和初步病理检测应用演示。本论文介绍了该系统的设计思想、开发流程、优化方案、应用实例，经验证，较好地提升了系统测量精度及测量效率。结果初步显示，全偏振数字病理方法在病理诊断等生物医学应用领域的巨大潜力。
主要研究内容
论文首先在系统硬件端提出使用柯勒照明均匀地照明样品，选用全自动位移台实现快速切片全偏振成像数据扫描采集。在系统软件端设计开发了高效率、具有良好用户交互界面的控制系统及在线全偏振病理组织数据库。论文开发的系统具备实时图像显示、自动校准、偏振数字病理、传统数字病理、在线数据共享等功能。在算法端设计了包括偏振染色、神经网络等算法，优化了系统的整体性能。
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图1 显微系统光路搭建
论文随后分析了系统在实际成像中误差主要来源、不同镜头对偏振测量影响等问题，针对性提出了时间积分降噪法，在不影响成像速度的情况下将成像误差降低至1%以下,并采用镀膜非球面多透镜级联镜头方案改善了透镜引入的全偏振成像误差，提升了数字化全偏振病理检测系统的精度。论文基于这一系统进一步比较了不同空间频率光子的偏振行为，发现部分偏振参数图像包含的样品结构信息可在相对低分辨率成像条件下获得，这为偏振数字病理实际应用中成像效率、视场与精度的平衡提供了参考。
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图2 乳腺原位癌组织样品全偏振成像多种参数虚拟染色结果
论文最后利用数字化全偏振病理检测系统，分别展示了基于全偏振数字病理图像、结合图像统计和深度学习方法、辅助临床病理诊断的具体案例：采用该系统获取的病理组织全玻片全偏振数字图像，并结合图像统计分析和深度学习方法初步应用于乳腺导管癌的分期和消化道肿瘤的鉴别诊断，显示出良好的使用效果。
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图3 间质瘤组织样品的全偏振数字病理图像
论文主要创新点
1、在前期研究开发的全偏振穆勒矩阵显微镜的基础上，通过硬件端的自动化升级及软件端的控制系统开发，开发了数字化全偏振病理检测系统，并将前期开发完成的数据库、算法库整合入系统，提升了全偏振病理组织数据采集量及采集效率，降低了系统的使用门槛；
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