[論文レビュー] High-throughput fast full-color digital pathology based on Fourier ptychographic microscopy via color transfer

Yuting Gao, Jiurun Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 55被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、1波長を用いた高解像度グレースケールFPM像に、低解像度（LR）フルカラー画像からの色のテクスチャを転送する、高スループットなフルカラーデジタル病理学手法であるColor Transfer Fourier Ptychographic Microscopy（CFPM）を提案する。ラ色空間における教師なし色転送を活用することで、従来の3波長FPMと比較して取得時間を3分の2に短縮し、RMSEの増加は0.4%にとどまる（5.7% vs. 5.3%）。これにより、高速で正確かつ効率的なフルカラー再構成が可能となり、先進的なFPM技術と互換性を持つ。

ABSTRACT

Full-color imaging is significant in digital pathology. Compared with a grayscale image or a pseudo-color image that only contains the contrast information, it can identify and detect the target object better with color texture information. Fourier ptychographic microscopy (FPM) is a high-throughput computational imaging technique that breaks the tradeoff between high resolution (HR) and large field-of-view (FOV), which eliminates the artifacts of scanning and stitching in digital pathology and improves its imaging efficiency. However, the conventional full-color digital pathology based on FPM is still time-consuming due to the repeated experiments with tri-wavelengths. A color transfer FPM approach, termed CFPM was reported. The color texture information of a low resolution (LR) full-color pathologic image is directly transferred to the HR grayscale FPM image captured by only a single wavelength. The color space of FPM based on the standard CIE-XYZ color model and display based on the standard RGB (sRGB) color space were established. Different FPM colorization schemes were analyzed and compared with thirty different biological samples. The average root-mean-square error (RMSE) of the conventional method and CFPM compared with the ground truth is 5.3% and 5.7%, respectively. Therefore, the acquisition time is significantly reduced by 2/3 with the sacrifice of precision of only 0.4%. And CFPM method is also compatible with advanced fast FPM approaches to reduce computation time further.

研究の動機と目的

• 従来のフルカラーFourier ptych的顕微鏡（FPM）が3波長で繰り返し撮影を必要とする時間的コストの問題を解決すること。
• 画像品質を損なわず、より高速で効率的かつ正確なフルカラー病理学手法を開発すること。
• FPMにおける一貫した色表現を実現するため、CIE-XYZおよびsRGBに基づく色空間モデルを確立すること。
• 多波長FPMの代替として、色転送の実用性と性能を、高スループット病理画像化の文脈で評価すること。

提案手法

• 教師なし色転送を用いて、低解像度（LR）フルカラー寄与画像の色のテクスチャを高解像度（HR）グレースケールFPM再構成に転送する。
• 色転送の耐性を高めるために、寄与画像をsRGBからLab色空間に変換し、輝度（L）と彩度（a, b）を分離する。
• 寄与画像と受容画像の彩度チャネル（a, b）の累積分布関数（CDF）を一致させることで色転送を実行する。
• 最適な染料吸収特性を満たす波長を選択し、単一波長FPM再構成を受容画像として使用する。
• CIE-XYZ基準に基づく色空間モデルを確立し、表示互換性を確保するためsRGBにマッピングする。
• RMSEや回復時間などの定量的指標を用いて、30個の生物学的サンプルで手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低解像度フルカラー画像からの色のテクスチャを、高解像度グレースケールFPM像に効果的に転送することで、フルカラー再構成が達成可能か？
• RQ2 従来の3波長FPMおよび波長多重FPMと比較して、提案手法CFPMの正確性と取得時間の観点での性能はいかがなものか？
• RQ3 照明波長の選択がCFPMの性能に与える影響は何か？また、染料の吸収特性とどのように関連しているか？
• RQ4 従来手法と比較して取得時間を3分の2に短縮する中で、CFPMは高い画像品質を維持できるか？
• RQ5 CFPMは、さらなる計算時間短縮を可能にする先進的な高速FPM技術と互換性を持つか？

主な発見

• 従来の3波長FPMの平均二乗誤差（RMSE）は5.3%であるのに対し、CFPMは真値と比較して5.7%にとどまり、精度損失は最小限である。
• CFPMは、FPM再構成に1波長のみを用いるため、従来のFPMと比較して取得時間を約3分の2に短縮できる。
• 本手法は高速FPMアプローチと互換性があり、さらなる計算時間短縮が可能である。
• CFPMの性能は波長に依存しており、使用する染料の吸収ピークと照明波長が一致する場合に最良の結果が得られる。
• 単一の染料で染色されたサンプルに対して最も優れた性能を示すが、異なる吸収プロファイルを有する複数の染料が使用された場合、正しい色の再現に失敗する可能性がある。
• WMFPM手法の平均RMSEは11.85%であり、これは従来FPMおよびCFPMと比較して顕著に高い値であり、高速な取得にもかかわらず精度が著しく低いことが示された。