全球領(lǐng)先的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)商MathWorks近日宣布，香港中文大學(xué)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)：港中大）一支研究團(tuán)隊(duì)采用 MATLAB^?、Medical Imaging Toolbox? 和 Image Processing Toolbox? 加速了生物醫(yī)學(xué)圖像處理工作流程。借助 MathWorks 的軟件，研究人員高效地對(duì)萬(wàn)億體素級(jí)別的圖像進(jìn)行了分割和分析，以往這些任務(wù)需要高端計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和大量手動(dòng)編程。此次突破使研究人員能夠在極短的時(shí)間內(nèi)處理海量數(shù)據(jù)集，為實(shí)時(shí)診斷鋪平了道路，將有望顯著提升臨床決策能力。

港中大開(kāi)發(fā)了有效探索和繪制生物結(jié)構(gòu)和分子組成的方法。該方法開(kāi)發(fā)的核心在于圖像處理，它需要能夠靈活處理多維圖像和大型體素?cái)?shù)據(jù)集。為此，由港中大醫(yī)學(xué)院化學(xué)病理學(xué)系臨床助理教授黎曦明教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，廣泛使用 MATLAB?、Medical Imaging Toolbox? 和 Image Processing Toolbox? 中的功能。MATLAB 中的 Cellpose 算法和 blockedImage 函數(shù)使研究人員能夠在單個(gè)腳本中完成圖像處理與分割，從而加速萬(wàn)億體素圖像的分割與分析。使用 blockedImage 可將大圖像解析為更小的堆棧，從而無(wú)需昂貴的高端計(jì)算機(jī)，并減少編程時(shí)間和錯(cuò)誤。

約800GB的小鼠全腦數(shù)據(jù)集，在MATLAB中使用cellpose進(jìn)行分割，并繪制每個(gè)細(xì)胞中心點(diǎn)的散點(diǎn)圖

“我們選擇了 MATLAB 是因?yàn)橄Ｍ谝粋€(gè)單一環(huán)境中完成整個(gè)流程，”黎教授表示?！捌渚幊汰h(huán)境提供了簡(jiǎn)化的流程、全面的文檔以及可靠的技術(shù)支持，使我們能夠有效處理龐大的數(shù)據(jù)集。MATLAB 中 blockedImage 和 cellpose 非常契合我們的工作流，因?yàn)樵谄渌?jīng)典的圖像處理算法之外，我們還希望在單個(gè)腳本中同時(shí)進(jìn)行圖像處理和分割。這個(gè)工作流程讓原本艱巨的細(xì)胞分割任務(wù)變得可能，且無(wú)需投入大量的人力?！?/p>

在港中大發(fā)表在“Nature”的最新研究中，他們有兩個(gè)使用 MATLAB 中的 cellpose 進(jìn)行分析的 3D 圖像數(shù)據(jù)集。其中一個(gè)有 10 萬(wàn)億體素和 28 個(gè)通道，代表約 100 萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，需要進(jìn)行分割和細(xì)胞分型分析。第二個(gè)數(shù)據(jù)集是約 800 GB 的小鼠全腦圖像，需要對(duì)神經(jīng)元體進(jìn)行全局分割，并配準(zhǔn)到艾倫腦圖譜。

黎教授團(tuán)隊(duì)使用 MATLAB 中的 cellpose 對(duì)經(jīng)過(guò)閾值處理和背景扣除的圖像進(jìn)行分割，并借助 blockedImage 獲得細(xì)胞掩膜，然后分析每個(gè)細(xì)胞的分子表達(dá)譜。獲得 3D 28 重圖像的細(xì)胞掩膜后，就能夠分析25個(gè)選定標(biāo)記的免疫染色強(qiáng)度，這些標(biāo)記用于細(xì)胞類(lèi)型分類(lèi)，所有操作均在 MATLAB 中的單個(gè)腳本中完成。

港中大希望將這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步推廣到臨床應(yīng)用中，實(shí)時(shí)圖像處理將帶來(lái)更高效的患者診斷。MathWorks 中國(guó)區(qū)醫(yī)療行業(yè)首席技術(shù)官單博表示：“巨幅圖像尤其是高分辨率病理顯微切片的處理，對(duì)于存儲(chǔ)和計(jì)算都是巨大的挑戰(zhàn)。港中大的解決方法采用了 blockedImage 針對(duì)巨幅圖像處理的功能，從低分辨率圖像中提取掩膜 ROI 區(qū)域，從而大大降低了計(jì)算量；隨后基于 blockedImage 巨幅圖像處理的框架，采用 cellpose 的 AI 模型進(jìn)行分割和處理。這使原本艱巨的挑戰(zhàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。非常榮幸，MATLAB 能在這樣高水平的生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究中出一份力?！?/p>

MathWorks 生物科學(xué)專(zhuān)家及學(xué)術(shù)支持工程團(tuán)隊(duì)提供的全方位支持對(duì)于項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。MathWorks 中國(guó)區(qū)教育行業(yè)總負(fù)責(zé)人李慶節(jié)強(qiáng)調(diào)：“這正是 MathWorks 教育團(tuán)隊(duì)對(duì)全校園授權(quán)（Campus-Wide License）的合作高校進(jìn)行科研支持的典型案例，充分體現(xiàn)了我們?cè)谥袊?guó)高校教學(xué)與科研項(xiàng)目中所秉承的‘道（把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的計(jì)算思維）、法（運(yùn)用AI進(jìn)行跨學(xué)科的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式）、術(shù)（技巧）、器（工具箱與技術(shù)）、人（本地與總部技術(shù)團(tuán)隊(duì)）’五位一體的技術(shù)支持理念。我們期待未來(lái)能與更多研究人員開(kāi)展合作?！?/p>