在外科手術(shù)中，醫(yī)生往往需要一邊切除腫瘤，一邊避開(kāi)血管等關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要對(duì)關(guān)鍵器官的功能狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。想象一下，如果手術(shù)臺(tái)上能出現(xiàn)一幅實(shí)時(shí)的“體內(nèi)地圖”，不同組織用不同顏色點(diǎn)亮，醫(yī)生就能清晰、全面地看到目標(biāo)區(qū)域，大大降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡/王尚風(fēng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合計(jì)算與智能創(chuàng)新學(xué)院顏波/譚偉敏團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種名為“鑭系彩虹（Lanbow）”的新型分子調(diào)色板，能克服光與組織相互作用，在深層組織中實(shí)現(xiàn)高分辨率高容量九色成像。憑借其生成的高質(zhì)量、高穩(wěn)健的成像數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入人工智能算法，成功在活體中對(duì)多個(gè)臟器進(jìn)行不同顏色的標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)熒光手術(shù)導(dǎo)航，為精準(zhǔn)醫(yī)療和復(fù)雜生命機(jī)制研究帶來(lái)顛覆性工具。
8月27日，相關(guān)研究成果以《基于激發(fā)譜編碼的單發(fā)射短波紅外鑭系熒光團(tuán)調(diào)色板：用于實(shí)時(shí)活體多光譜成像》（Excitation-encoded single-emission shortwave infrared lanthanide fluorophore palette for real-time in vivo multispectral imaging）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《自然光子學(xué)》（Nature Photonics）
據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，傳統(tǒng)熒光成像通過(guò)給不同分子打上“彩色標(biāo)簽”，讓科學(xué)家可以同時(shí)追蹤多個(gè)目標(biāo)。然而在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，光線(xiàn)會(huì)被組織強(qiáng)烈散射，還會(huì)受到自發(fā)熒光的干擾，導(dǎo)致圖像模糊。常用的可見(jiàn)光探針（400–750 nm）很難突破這一瓶頸，而短波紅外光（750–2500 nm）雖然克服光與組織相互作用，看得更深更清楚，但現(xiàn)有探針亮度不足、信號(hào)重疊嚴(yán)重，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)位點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。
圖1. Lanbow調(diào)色板的構(gòu)建、分子光物理性質(zhì)以及用于多光譜成像流程。
針對(duì)以上難題，張凡團(tuán)隊(duì)利用稀土元素鉺（Er3+）的獨(dú)特光學(xué)特性，通過(guò)分子工程設(shè)計(jì)構(gòu)建了一系列具有三明治結(jié)構(gòu)的新型酞菁鉺配合物探針“鑭系彩虹（Lanbow）”。它們的吸收波長(zhǎng)分布在673 nm至772 nm，但發(fā)射統(tǒng)一集中在1530 nm——一個(gè)組織散射較小、自發(fā)熒光幾乎為零的光學(xué)窗口。
利用該系列酞菁鉺配合物獨(dú)特且優(yōu)越的光譜性質(zhì)，研究者創(chuàng)新性地引入了“激發(fā)編碼、單一發(fā)射”的多光譜成像策略。這種方法克服了基于多發(fā)射的多光譜方法中存在的光子效率限制以及波長(zhǎng)相關(guān)的圖像保真問(wèn)題，確保了在所有通道中都能實(shí)現(xiàn)一致的高對(duì)比度成像，在深層組織中實(shí)現(xiàn)了高保真的九種信號(hào)的區(qū)分。
然而，想要實(shí)現(xiàn)外科手術(shù)過(guò)程中“體內(nèi)地圖”的構(gòu)建，成像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析是一重要要素。傳統(tǒng)多光譜成像的圖像處理和分析，往往需要有經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域?qū)＜襾?lái)進(jìn)行耗時(shí)的試驗(yàn)后分析，這降低了成像結(jié)果的時(shí)效性，限制了應(yīng)用范圍。
依托復(fù)旦大學(xué)“AI for Science”多學(xué)科交叉融合的優(yōu)質(zhì)生態(tài)，張凡團(tuán)隊(duì)和計(jì)算與智能創(chuàng)新學(xué)院顏波團(tuán)隊(duì)一拍即合，以“實(shí)時(shí)處理高維多光譜數(shù)據(jù)集”為目標(biāo)，構(gòu)建了波長(zhǎng)感知的端元提取AI模型（EndmemberNet），實(shí)現(xiàn)了多光譜數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析。
利用AI輔助的鑭系彩虹多光譜成像技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了在結(jié)直腸癌小鼠模型中的五色熒光指導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航。該系統(tǒng)能夠同步可視化腫瘤原發(fā)灶、轉(zhuǎn)移結(jié)節(jié)、血管與腸道運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)EndmemberNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成光譜特征提取與分解，在術(shù)中實(shí)時(shí)輸出清晰的解剖結(jié)構(gòu)與功能信息。這意味著外科醫(yī)生未來(lái)有望在手術(shù)臺(tái)上實(shí)時(shí)看到腫瘤、血管、淋巴結(jié)及腸道功能的多通道動(dòng)態(tài)畫(huà)面，大幅提升精準(zhǔn)切除和術(shù)中判斷的能力。
圖2. 自動(dòng)端元提取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)EndmemberNet訓(xùn)練示意圖以及實(shí)時(shí)多光譜成像工作流程圖。
這一成果展現(xiàn)了化學(xué)與人工智能科學(xué)的深度交叉，共同搭建了一個(gè)“AI for Science”的新范式。未來(lái)，鑭系彩虹有望擴(kuò)展到更多疾病診斷與治療場(chǎng)景，如腦科學(xué)研究、心血管監(jiān)測(cè)乃至機(jī)器人輔助手術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著跨學(xué)科平臺(tái)與智能算法的不斷進(jìn)化，我們將會(huì)迎來(lái)一個(gè)全新的醫(yī)學(xué)圖像時(shí)代——醫(yī)生不再依賴(lài)單一的手術(shù)視野，而是擁有一幅實(shí)時(shí)、多通道、智能解析的“體內(nèi)地圖”。
復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系博士生張璐和計(jì)算與智能創(chuàng)新學(xué)院博士生程日為共同第一作者；化學(xué)系張凡教授、王尚風(fēng)青年研究員、計(jì)算與智能創(chuàng)新學(xué)院顏波教授、譚偉敏青年研究員為通訊作者。研究工作得到了化學(xué)系、聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算與智能創(chuàng)新學(xué)院、上海市智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)探索獎(jiǎng)、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、上海市教委創(chuàng)新計(jì)劃等機(jī)構(gòu)與項(xiàng)目的大力支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01736-8
