——東京大學研發(fā)出全球首款高吞吐圖形細胞分選儀

細胞分選在生物學、病理學、免疫學以及病毒學研究中具有至關(guān)重要的地位。它需要根據(jù)細胞獨特的化學特性和形狀實現(xiàn)快速的查找和分選。傳統(tǒng)的方式無法準確地分辨細胞之間的差異，或者耗費巨大的人力物力，有時甚至需要研究人員在速度和準確度之間進行取舍。東京大學化學系研發(fā)了一款智能圖像激活細胞分選設(shè)備(intelligent Image-Activated Cell Sorter，IACS)，其核心組件使用了Spectrum儀器所提供的高速數(shù)字化儀。這是全球首款基于圖像的細胞分選技術(shù)，能夠以前所未有的吞吐量和精準度進行細胞分選。該技術(shù)適用廣泛，有望在生物、制藥和醫(yī)療科學領(lǐng)域有更大的發(fā)展，尤其將對分辨癌細胞和非癌細胞之間的細微差別做出巨大貢獻。

為了快速實現(xiàn)細胞分類的精準度，智能圖像激活細胞分選設(shè)備(IACS)使用了實時的機器智能技術(shù)作為全新的數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)架構(gòu)。IACS通過一個獨特的軟件和硬件的數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)架構(gòu)將高吞吐量的細胞成像，細胞聚焦以及細胞分類整合，并利用了光學、微流體、電子、機械和數(shù)據(jù)處理等不同的技術(shù)實現(xiàn)。該系統(tǒng)靈活并具有可擴展性，能夠?qū)崟r且自動化的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、決策制定和分揀。事實上，即使算法復(fù)雜每個細胞的處理速度也僅僅僅需要32毫秒。

IACS設(shè)置最關(guān)鍵的部分就是圖像構(gòu)造的處理，這里采用了東京大學研發(fā)的另一設(shè)備——頻分復(fù)用(FDM)顯微鏡。 FDM顯微鏡非常重要，因為它可以在細胞流動的1 m / s內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)、高速、無模糊、靈敏的明視野和雙色熒光圖像采集。這是突破每秒處理100個細胞的系統(tǒng)極限所必備的。

超快速細胞分選的另一個關(guān)鍵是獲取來自FDM中雪崩光電二極管的信號。這是將信號傳遞至以1.25 GS / s的采樣率運行的Spectrum M4i.2212-x8數(shù)字化儀來實現(xiàn)的。此后，通過高速PCIe總線將獲取的數(shù)據(jù)傳送到PC，其中數(shù)字化波形中的空間輪廓能夠被分離。數(shù)字化儀的快速PCIe界面能夠使這個過程高速的連續(xù)運行。分離的過程通過頻域中的Fourier變換來實現(xiàn)，使每個信號都顯示出不同的調(diào)制頻率。

完整的IACS系統(tǒng)由五個關(guān)鍵部分組成：將懸浮培養(yǎng)的細胞注入IACS，由FDM顯微鏡成像，由實時的智能圖像處理器分析，在計算過程中通過聲學變焦器將其保持在單一流中。最終通過觸發(fā)的雙膜推拉式細胞分選器進行分類。整個過程能夠?qū)崿F(xiàn)實時的自動化運行。

圖像構(gòu)建完成后，使用10 Gb以太網(wǎng)將結(jié)果傳輸?shù)絀ACS的圖像分析和時間管理部分。這里將一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，三個CPU，一個圖形處理器(GPU)和一個網(wǎng)絡(luò)開關(guān)進行整合，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的深度學習技術(shù)實現(xiàn)圖像處理和決策制定。

Spectrum儀器首席技術(shù)官Oliver Rovini 表示：“東京大學的案例僅僅是Spectrum高速數(shù)字化儀在圖像識別系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，圖像識別對速度以及精準度的要求將越來越高。系統(tǒng)設(shè)計人員希望能夠開發(fā)出實時處理的圖像解決方案，而Spectrum儀器所研發(fā)的高速數(shù)字化儀就是其理想的選擇。”

東京大學化學系是日本和美國共同成立的一個大型研究機構(gòu)聯(lián)盟的成員，主要用于進行智能細胞搜索領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。