——東京大學(xué)研發(fā)出全球首款高吞吐圖形細(xì)胞分選儀

細(xì)胞分選在生物學(xué)、病理學(xué)、免疫學(xué)以及病毒學(xué)研究中具有至關(guān)重要的地位。它需要根據(jù)細(xì)胞獨(dú)特的化學(xué)特性和形狀實(shí)現(xiàn)快速的查找和分選。傳統(tǒng)的方式無法準(zhǔn)確地分辨細(xì)胞之間的差異，或者耗費(fèi)巨大的人力物力，有時(shí)甚至需要研究人員在速度和準(zhǔn)確度之間進(jìn)行取舍。東京大學(xué)化學(xué)系研發(fā)了一款智能圖像激活細(xì)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(xì)胞分選技術(shù)，能夠以前所未有的吞吐量和精準(zhǔn)度進(jìn)行細(xì)胞分選。該技術(shù)適用廣泛，有望在生物、制藥和醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域有更大的發(fā)展，尤其將對(duì)分辨癌細(xì)胞和非癌細(xì)胞之間的細(xì)微差別做出巨大貢獻(xiàn)。

為了快速實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分類的精準(zhǔn)度，智能圖像激活細(xì)胞分選設(shè)備(IACS)使用了實(shí)時(shí)的機(jī)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(gè)獨(dú)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(xì)胞成像，細(xì)胞聚焦以及細(xì)胞分類整合，并利用了光學(xué)、微流體、電子、機(jī)械和數(shù)據(jù)處理等不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)靈活并具有可擴(kuò)展性，能夠?qū)崟r(shí)且自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、決策制定和分揀。事實(shí)上，即使算法復(fù)雜每個(gè)細(xì)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(xué)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?yàn)樗梢栽诩?xì)胞流動(dòng)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(gè)細(xì)胞的系統(tǒng)極限所必備的。

超快速細(xì)胞分選的另一個(gè)關(guān)鍵是獲取來自FDM中雪崩光電二極管的信號(hào)。這是將信號(hào)傳遞至以1.25 GS / s的采樣率運(yùn)行的Spectrum M4i.2212-x8數(shù)字化儀來實(shí)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(gè)過程高速的連續(xù)運(yùn)行。分離的過程通過頻域中的Fourier變換來實(shí)現(xiàn)，使每個(gè)信號(hào)都顯示出不同的調(diào)制頻率。

完整的IACS系統(tǒng)由五個(gè)關(guān)鍵部分組成：將懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞注入IACS，由FDM顯微鏡成像，由實(shí)時(shí)的智能圖像處理器分析，在計(jì)算過程中通過聲學(xué)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(xì)胞分選器進(jìn)行分類。整個(gè)過程能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)化運(yùn)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(shí)間管理部分。這里將一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，三個(gè)CPU，一個(gè)圖形處理器(GPU)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行整合，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)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(xué)的案例僅僅是Spectrum高速數(shù)字化儀在圖像識(shí)別系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，圖像識(shí)別對(duì)速度以及精準(zhǔn)度的要求將越來越高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望能夠開發(fā)出實(shí)時(shí)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(xué)化學(xué)系是日本和美國共同成立的一個(gè)大型研究機(jī)構(gòu)聯(lián)盟的成員，主要用于進(jìn)行智能細(xì)胞搜索領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。