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High-Throughput Molecular Imaging via Deep-Learning-Enabled Raman Spectroscopy

拉曼光谱 高光谱成像 深度学习 吞吐量 人工智能 计算机科学 化学成像 降噪 材料科学 模式识别(心理学) 纳米技术 光学 物理 电信 无线
作者
Conor C. Horgan,Magnus Jensen,Anika Nagelkerke,Jean-Phillipe St-Pierre,Tom Vercauteren,Molly M. Stevens,Mads S. Bergholt
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:93 (48): 15850-15860 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.1c02178
摘要

Raman spectroscopy enables non-destructive, label-free imaging with unprecedented molecular contrast but is limited by slow data acquisition, largely preventing high-throughput imaging applications. Here, we present a comprehensive framework for higher-throughput molecular imaging via deep learning enabled Raman spectroscopy, termed DeepeR, trained on a large dataset of hyperspectral Raman images, with over 1.5 million spectra (400 hours of acquisition) in total. We firstly perform denoising and reconstruction of low signal-to-noise ratio Raman molecular signatures via deep learning, with a 9x improvement in mean squared error over state-of-the-art Raman filtering methods. Next, we develop a neural network for robust 2-4x super-resolution of hyperspectral Raman images that preserves molecular cellular information. Combining these approaches, we achieve Raman imaging speed-ups of up to 160x, enabling high resolution, high signal-to-noise ratio cellular imaging in under one minute. Finally, transfer learning is applied to extend DeepeR from cell to tissue-scale imaging. DeepeR provides a foundation that will enable a host of higher-throughput Raman spectroscopy and molecular imaging applications across biomedicine.
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