三维核振动物成像技术实验仪

政策 更新置换先进科研技术设备日前，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》（以下简称《行动方案》）。《行动方案》提出到2027年，工业、农业、建筑、交通、教育、文旅、医疗等领域设备投资规模较2023年增长25%以上；明确实施设备更新行动中需提升教育文旅医疗设备水平，推动符合条件的高校、职业院校（含技工院校）更新置换先进教学及科研技术设备，提升教学科研水平。 据教育部高教司内部人士透露，未来有可能准备照国家要求储备一些政府投资项目且对相关设备提出要求，以高水平、大件仪器设备优先，务必优先国产设备。 解决方案 沃亿生物跨尺度三维成像沃亿生物fMOST相关设备是基于骆清铭院士MOST团队发明的荧光显微光学切片断层成像技术研发而成，该设备将超薄切片与显微成像相结合，使用时间延时积分(TDI)成像方法，实现对厘米级尺寸大样品组织的稳定高分辨率三维成像，是一种有别于传统成像技术的全脑光学成像设备，它打破传统显微成像技术在组织中的成像深度限制，全组织任意位置的轴向分辨率达1微米，能全自动化地高分辨率获取全脑神经结构、全器官/组织血管网络等三维数据集，极大提高相关研究的工作效率，能够应用于神经科学研究、心脑血管病研究、药物评价研究学科/领域，在大组织三维成像方面具有先进性。 该设备在脑疾病、脑网络发育、神经计算药物研究和病理研究等领域具有重要用途，不仅能获取小鼠全脑范围内的神经元、毛细血管、树突、轴突定性和定量信息，还适用于小鼠全脑连接图谱的获取、神经环路的全脑精准定位研究以及神经元的长程投射追踪。具体应用包括果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、灵长类等模式动物在正常、疾病及发育过程中神经和血管网络的变化，以及各种组织、器官的在正常情况下以及疾病模型下的三维精细成像及重构。 2013年，通过教育部直属高校科研成果公开 挂牌交易转让的方式，沃亿生物购买了MOST系列技术的zhuan利。至此，沃亿生物组织力量开始消化技术，不断打磨细节、积累经验、调整方案，历经十余年的精细打磨，实现从原理机到高端科研仪器的转变。先后推出了适用于Golgi、Nissl、HE等传统组织染色方法的BioMapping1000以及适用于荧光全脑成像的BioMapping5000、BioMapping9000与BioMapping9500系列产品。该系列仪器稳定性高、鲁棒性强，具有长时间不间断的三维数据采集能力，特别适用于自动获取全脑内神经环路投射路径及其细胞构筑信息。 科研设备换新，fMOST相关设备作为国产的高端科研仪器无疑是最佳之选！ BioMapping 5000 荧光显微光学切片断层成像系统 01 产品简介BioMapping5000采用时间延迟积分（TDI）成像方式，通过对样本的多次曝光和信号累积，在保证高速成像的同时可实现高信噪比的成像，并结合创新性的化学成像样品处理方法可获得高轴向分辨率，实现对全脑树突棘分布的精细成像。 02 技术参数 成像模式 高速线性扫描荧光成像适用标记技术 Dylight594,mCherry,PI,GFP, YFP体素分辨率 0.35μm*0.35μm*1μm连续切削厚度 1-4μm最大样本体积 5㎝*5㎝*2.5㎝ 03 应用实例 △10100个海马神经元单细胞分辨率全脑投射图谱 BioMapping9000 荧光显微光学切片断层成像系统 01 产品简介BioMapping9000是基于fMOST技术的荧光三维成像仪器，基于斜光片成像与振动切片结合实现单细胞分辨率的全脑三维快速荧光成像仪器，与前述其他产品相比，具有成像速度更快的优势，能快速获取与分析全脑荧光数据，适合对批量样本进行高效筛选。 02 技术参数 成像模式 斜光片照明荧光成像适用标记技术 Dylight594,mCherry,PI,GFP, YFP体素分辨率 1.3μm*1.3μm*0.92μm连续切削厚度 20-200μm最大样本体积 5㎝*5㎝*2.5㎝ 03 应用实例 △小鼠c-fos全脑表达三维展示及定量胞体统计 BioMapping9500 荧光显微光学切片断层成像系统01 产品简介Biomapping 9500 是基于fMOST技术的多功能荧光三维成像仪器。具备高精度或高通量两种成像模式。搭载切片回收系统，便于后续实验。一站式高效成像平台，适用于多种应用场景。 02 技术参数 成像模式 线性扫描荧光成像适用标记技术 Dylight594,mCherry,PI,GFP, YFP体素分辨率 0.35μm*0.35μm*1μm连续切削厚度 1-200μm最大样本体积 5㎝*5㎝*3㎝ 03 应用实例 △基于琼脂糖包埋的振动切片与切片的全自动回收△272张切片 50μm厚度 11小时 △272张切片 50μm厚度 DAPI染色 7天

2022年3月26日，“第一届华南动物活体成像应用研讨会暨小动物活体三维成像系统发布会”在广州隆重举办。此次会议由广东省医药行业协会和广东省实验动物学会指导，广州博鹭腾生物科技有限公司主办，广州云星科学仪器有限公司协办。大会开幕大会开始，广东省食品医药联合党委书记张俊修先生首先上台致开幕辞。张书记对此次大会的举办表示了祝贺，也肯定了博鹭腾在国产动物活体仪器方面取得的重大成果。与此同时，张书记提出了几点期望与建议：一是响应国家号召，加强对科学技术道路的坚持；二是在中医方面，运用新的思维改进现有的研究成果；三是在西医方面，希望活体成像技术的进步能够为器官移植提供新思路和新方法。张俊修 先生广东省食品医药联合党委书记广东省实验动物秘书长朱才毅研究员对大会的成功举办表示热烈的祝贺，他指出小动物活体三维成像产品的发布，将有利于推动实验动物行业的进一步发展，特别能有效减少实验动物的使用量，符合动物伦理，体现了民族科技企业的强烈社会责任感。他希望博鹭腾能够按照伟中省长提出的，加快构建基础研究+技术攻关+加成果产业+科技金融+人才支撑全过程创新生态链，强化企业创新主体责任，探索产学研相结合的路子，推出更多更好的新产品，为建设更高水平的科技自立自强贡献力量和智慧。朱才毅 研究员广东省实验动物学会秘书长最后，广州博鹭腾生物科技有限公司总经理罗文波博士致辞。罗文波总经理强调了生命科学仪器在科学进步中的重要性，尤其是高端的科学仪器对重要行业的发展有着不可或缺的推动作用。不论是当前的发展趋势还是国家出台的相关政策，都对国产科学仪器寄予了厚望。博鹭腾正是要迎难而上，开拓创新，创国产生命科学仪器先锋，为生命科学乃至世界的科技进步贡献自己的力量。 罗文波 博士广州博鹭腾生物科技有限公司总经理学术分享在各位嘉宾精彩致辞结束后，迎来了“干货满满”的应用研讨会。本次会议采用线下分享和线上直播相结合的方式，邀请了来自广州医科大学、汕头市中心医院、湖南斯莱克景达实验动物有限公司、新疆医科大学、中山大学附属第五医院的五位专家，就活体成像技术在纤维化疾病研究中的应用、光学分子影像技术在乳腺外科手术导航中的应用、常见肿瘤动物模型构建以及应用、基于近红外光辅助的活体成像与光活化治疗研究、近红外荧光成像用于食管癌术中导航的研究进行了深入的分享。专家们精彩绝伦的讲座，为本次研讨会注入了新的力量，使现场嘉宾和线上观众都收获颇多，对活体成像也有了更加深入的了解和认识。苏金 教授广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室课题组长、博士生导师《活体成像技术在纤维化疾病研究中的应用》邱斯奇 副主任医师汕头市中心医院科研大数据中心副主任、硕士生导师《光学分子影像技术在乳腺外科手术导航中的应用》聂晶 博士湖南斯莱克景达实验动物有限公司研发部总监《常见肿瘤动物模型构建以及应用》努尔尼沙阿力甫 副教授新疆医科大学医学工程技术学院副院长、博士生导师《基于近红外光辅助的活体成像与光活化治疗研究》李丹 副研究员中山大学附属第五医院广东省生物医学影像重点实验室副主任、博士生导师《近红外荧光成像用于食管癌术中导航的研究》新品发布仪式最后是本次会议最为激动人心的新品发布仪式。随着倒计时的结束，幕布落下，Aniview Kirin现身。从此刻起， AniView Kirin小动物活体三维成像系统将正式加入博鹭腾AniView活体成像家族。来自博鹭腾的市场部经理魏宇清先生对新产品进行了详细介绍，魏经理将AniView Kirin的特点归纳为六点，灵敏、精准、形象、出色、温暖、安全。这几大特点不仅体现在优异的硬件参数上，同样也体现在智能的软件算法、人性化的设计以及优秀的使用体验等方面。魏宇清 先生广州博鹭腾生物科技有限公司市场部经理这是国产唯一集光谱分离算法与三维立体成像于一体的高端活体成像系统，打破了国外产品的技术垄断，从此高端活体成像系统领域拥有了属于中国人自己的声音。AniView Kirin小动物活体三维成像系统博鹭腾博鹭腾作为一家集生命科学仪器设备的研发、生产、服务于一体的国家高新技术企业，目前已开发并上市了多款具有自主知识产权的产品，形成了分子影像、蛋白凝胶预制及印迹处理系统、发光检测、活体成像四个系列，用户包括清华大学、中山大学、西北农林科技大学等上百家高校及科研单位。

在去年发布的「十四五规划」的国家战略中，生命科学被纳入引领性科技领域的重点攻关项目，而正在呼吁生物医药行业健康发展的议题也引起了广泛关注。动物活体成像技术作为基础医学、材料科学、药效评估等领域的基础研究方式，受到越来越多的应用。 博鹭腾作为专业从事动物活体成像设备研发与生产的高新技术企业，一直致力于对动物活体成像相关技术的开发与推广，现已研发出国际先进的小动物活体三维成像系统。 为了加速动物活体成像技术的发展，进而推动整个生命科学研究行业的进步，博鹭腾特举办《第一届华南动物活体成像应用研讨会暨小动物活体三维成像系统发布会》。【会议流程】08:30-09:00 ｜ 签到入座09:00-09:05 ｜ 主持人开场09:05-09:10 ｜ 领导致辞 张俊修 广东省食品医药行业联合党委书记09:10-09:15 ｜ 领导致辞 朱才毅 广东省实验动物学会秘书长09:15-09:20 ｜ 总经理致辞 罗文波 博士 广州博鹭腾生物科技有限公司09:20-09:40 ｜《活体成像技术在纤维化疾病研究中的应用》 苏金 教授 广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室09:40-10:00 ｜《光学分子影像技术在乳腺外科手术导航中的应用》 邱斯奇 博士 汕头市中心医院10:00-10:20 ｜《常见肿瘤动物模型构建以及应用》 聂晶 博士 湖南斯莱克景达实验动物有限公司10:20-10:35 ｜ 茶歇10:35-10:55 ｜《活体成像仪在动物模型构建及临床前评价中的应用》 谢水林 副研究员 华南理工大学10:55-11:15 ｜《近红外荧光成像用于食管癌术中导航的研究》 李丹 副研究员 中山大学11:15-11:25 ｜ 新产品发布仪式11:25-11:45 ｜“AniView Kirin”介绍 小动物活体三维成像系统11:45-12:00 ｜ 合影【举办单位】指导单位：广东省医药行业协会 广东省实验动物学会 主办单位：广州博鹭腾生物科技有限公司协办单位：广州云星科学仪器有限公司

与传统工艺制作的压电块体型超声换能器相比，电容式微机械超声换能器（CMUT）具有阻抗匹配特性良好、带宽大、体积小等优势，在医学超声成像和无损检测方面得到了广泛应用。三维超声反射成像通常需要利用CMUT线阵的机械移动实现对被测物的多维度扫描，但这一方法往往难以实现较小距离的移动，并且存在一定的误差。利用CMUT面阵对被测物进行扫描可以同时获取多维度的超声反射信号，从而减少测试工作量，并且能够准确获取被测物的三维信息。然而，目前国内关于利用CMUT面阵进行非接触式三维超声反射成像的研究鲜有报道。据麦姆斯咨询报道，为了解决上述挑战，来自中北大学的研究人员提出了利用基于16 × 4阵元的CMUT面阵进行B模式及二次谐波三维成像测试的方法，以得到伪影水平更低、重建偏差更小的超声反射图像。相关研究成果以“基于16 × 4阵元CMUT面阵的三维超声反射成像”为题发表在《微纳电子技术》期刊上。CMUT面阵的制备及工作原理研究人员分别利用绝缘体上硅（SOI）和二氧化硅（SiO₂）晶圆制备了CMUT振动薄膜和真空腔，并且在真空环境中通过晶圆键合形成CMUT面阵。图1 CMUT剖面图及阵元图图2 基于16 × 4阵元的CMUT面阵实物图CMUT的工作原理是通过在上、下电极之间施加直流偏压，从而产生感应静电力将顶部薄膜拉向底部电极。当CMUT处于发射模式时，将交流电压信号叠加在直流偏压上会激励薄膜振动，实现电能和机械能的转换，产生超声信号；当CMUT处于接收模式时，在上、下电极之间施加直流偏压，在超声波的作用下，薄膜会产生振动，从而使得电容值发生改变，通过检测这一变化即可实现超声信号的接收。图3 CMUT工作原理仿真及实验平台搭建该研究利用基于Matlab的k-Wave光声仿真工具箱对基于16 × 4阵元的CMUT面阵进行超声反射成像仿真。整个仿真区域介质为硅油，被测物为一块长和宽均为3 cm、厚1 cm的铝块，铝块与CMUT的距离为3 cm，CMUT阵元间的距离为1 mm。此外，采用单个阵元发射、所有阵元接收，即一发多收的扫描方式对铝块进行扫描。图4 基于16 × 4阵元的CMUT面阵及被测铝块仿真模型随后，研究人员在仿真的基础上搭建了基于16 × 4阵元的CMUT面阵的超声反射成像测试系统。采用面阵上第二条线阵的单个阵元发射、所有阵元接收的方式进行实验测试。实验使用信号发生器和功率放大器驱动CMUT面阵发射超声波，并且利用示波器观察超声反射信号波形。图5 基于16 × 4阵元的CMUT面阵超声反射成像测试系统示意图及超声反射成像实测图仿真及实验结果研究人员采用B模式及二次谐波两种成像算法分别对被测铝块的超声反射信号进行处理，以获取其三维图像及对应的二维切面。结果显示，基于16 × 4阵元的CMUT面阵的反射成像系统能够确定铝块的位置。此外，基于B模式成像算法和二次谐波成像算法所获取的成像结果中，铝块与CMUT面阵的距离重建偏差分别为3.63%及1.47%。图6 被测铝块二维反射成像结果图7 被测铝块三维反射成像结果综上所述，该研究搭建了基于16 × 4阵元的CMUT面阵的三维超声反射成像系统，以获得误差小、信噪比高的超声反射图像。采用单个阵元发射、所有阵元接收的收发方式对铝块进行了相关测试与仿真，利用B模式及二次谐波成像算法对超声回波信号进行处理，获取了被测物的二维切面及三维图像。仿真和实验结果均可以较清晰地确定铝块的位置，与实际情况相符。为了对比两种算法的成像效果，研究人员计算了铝块与CMUT面阵的距离重建偏差。计算结果显示，B模式及二次谐波成像算法的仿真距离重建偏差分别为0.63%和0.4%，实验重建偏差分别为3.63%和1.47%，二次谐波图像的距离重建偏差均小于B模式图像的距离重建偏差。总之，该研究证明了所提出的基于16 × 4阵元的CMUT面阵的三维超声反射系统可实现对被测物的三维成像。论文信息：DOI：10.13250/j.cnki.wndz.2023.03.010

日前，Nature旗下的Scientific Reports 刊登了中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究组题为Full-color structured illumination optical sectioning microscopy 的研究论文。　　众所周知，色彩(光谱)信息是描述物体特征的一个重要物理量。三维物体彩色层析成像技术是获取物体表面形态特征的重要手段，也是真实物体三维数字化的基础。以激光共聚焦扫描显微镜为代表的点扫描显微成像技术具有三维层析成像能力，但是逐点扫描整个三维样品需要较长的时间，而且视场很小，目前仅应用于生物医学显微成像领域。条纹投影法和白光相移干涉法是较为成熟的三维物体表面成像与测量技术，得到了广泛的应用，这两种技术结合三维贴图技术(3D mapping)都可以近似得到三维物体的表面颜色信息，但是贴图技术的缺点是图像畸变大而且分辨率不高。同时，受到相位解包裹算法的限制，条纹投影法和白光相移干涉法对于表面具有复杂和突变结构的物体都不适用，而类似的复杂结构又是常见的(例如动物的毛发、机械工件的表面毛刺、植物的叶片等)。结构光照明显微(SIM)是一种特殊照明方式的宽场成像技术，经过特定算法的解算和重构可以实现三维光切片成像，并且能够精确解析样品表面的复杂结构。但目前所有的SIM都是单色的，另外，受显微物镜视场大小的限制，SIM技术目前也仅应用于微观领域。　　西安光机所姚保利研究组自2010年开始SIM技术研究以来，开展了深入细致的理论和实验研究工作，首次提出并实现了基于数字微镜器件(DMD)和LED照明的SIM技术(Scientific Reports 2013，国家发明专利ZL201110448980.8)。在本次发表的研究论文中，通过使用彩色CMOS相机记录白光或多色结构光照明获得的光切片图像，对传统光切片SIM技术采用的均方根层析算法进行改进，提出了基于HSV彩色空间的彩色解码算法(已申请国家发明专利)，获得了物体高分辨率彩色三维图像。结合三维多视场数据自适应融合技术，解决了对介观物体(亚毫米到毫米量级尺寸)显微成像时，由于显微物镜视场有限，无法一次获得整个物体高分辨三维图像的问题，视场范围达到了2mm2以上。研究组与中科院动物研究所开展了联合实验研究，实现了对螨虫和昆虫跳器的彩色三维光切片成像，为该方面的研究提供了有力的技术支持。同时对微电子芯片及硬币表面结构进行了大视场彩色三维成像，推动了SIM技术在三维物体表面形貌测量方面的应用。　　三维成像与测量技术是目前国内外光学领域一个重要的研究方向，已嵌入到了现代工业与文化创意产业的整个流程。该研究取得的成果使西安光机所在三维显微成像方面掌握了核心技术，该技术通过与生物医学、材料化学、精密制造等学科的交叉合作，将大大提高我国在该领域的研究水平，具有广泛的应用前景。螨虫(a)和跳甲跳器(b)的彩色三维图像数字微镜器件芯片的彩色三维图像

近日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员郑炜团队提出一种基于激发光梯度编码的快速三维成像技术，可使双光子体成像速度比传统技术提升5至10倍。　　双光子显微镜具有亚微米级的成像分辨率和毫米级的成像深度，被广泛应用在神经结构和功能成像以及其他活体成像研究中。传统的双光子三维成像是将双光子激发的焦点在样品中进行逐层的二维扫描来实现的，这种三维成像方法不仅速度受限且增加了样品暴露在高能激光中的时间，对生物组织造成光损伤和光漂白，不利于活体组织的长时间成像。　　该研究提出的新型梯度光场双光子显微成像技术只需要进行两次二维扫描即可获得样品的三维信息，极大降低了激光对样品的损害。　　在生活中，可利用编码来确定位置。与此类似，梯度光场技术设计了一对轴向拉长并且强度梯度变化的焦点，利用这对焦点的强度变化来编码并解析出物体的位置：横向扫描第一个梯度焦点得到的图像中，位置较浅处的样品荧光强度强，位置较深处的样品荧光强度弱，第二个焦点对应的图像则正好相反。两幅图像的和反映了样品的真实三维荧光强度，图像的比值则反映了荧光的深度信息。该方法可一次分辨深度12微米内三维信息，荧光点轴向定位精度为0.63微米。梯度光场双光子显微镜非常适合活体细胞的三维成像，在观测巨噬细胞吞噬荧光小球的实验中，能够快速捕捉荧光小球在巨噬细胞内外的三维运动轨迹，并精确定量出巨噬细胞运载小球的速度。　　相关成果以Axial gradient excitation accelerates volumetric imaging of two-photon microscopy为题，发表在Photonics Research上。研究得到国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、重大研究计划以及广东省重点实验室等支持。 　　论文链接 （a）：梯度光场双光子显微成像原理、（b）：巨噬细胞吞噬小球过程、（c）：小球的运动轨迹、（d）：小球运动轨迹的量化与评估

磁性微型机器人广泛应用于生物医学工程领域，其特殊的结构和特性有助于实现精准药物传递、无创诊断和基于细胞的治疗等医疗工作。然而，目前控制此类微型机器人运动的技术依赖于同质磁场的驱动，容易受到微型机器人特性和周围环境的影响。当周围环境或微观机器人本身的特性发生改变时，这些驱动方式缺乏通用性和适应性，并且由于电磁驱动系统和微型机器人位置的独立控制，微型机器人的移动容易出现短暂的延迟。针对上述问题，大邱庆北科学技术院的Sarmad Ahmad Abbasi 团队提出了一种通过电磁线圈产生的梯度场对磁性微型机器人进行基于机器学习的位置控制的方法。该方法通过直接驱动线圈电流模拟一个微型机器人运动的环境，从而控制微型机器人在规定工作区域内的三维位置。在模拟训练结束后，上述机器学习过程转移到反映现实世界复杂性的物理电磁致动系统中使用，相比于传统数学模型计算，该方法更精确、更高效。该成果以《Autonomous 3D positional control of a magnetic microrobot using reinforcement learning》为题发表在Nature Machine Intelligence上[1]。图1 磁性微型机器人通过驱动磁场模拟控制三维位置示意图 本文中，作者使用了美国知名低温设备制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.新推出的振动样品磁强计，对该微型机器人的磁化强度进行了表征，用以计算模拟环境中所使用的驱动磁场大小。该设备基于7400系列VSM成熟的产品设计基础上，推出了全新8600系列VSM系统。8600系列以提高产品性能和用户体验为目标，对其各部分的测量元件和操作部件都进行了全新优化升级，在提升灵敏度和磁场分辨率的情况下，还增强了设备的操作性。一、主机部分Lakeshore 8600系列VSM✔ 更优异的性能8600系列VSM采用创新设计，在降低测量噪声的同时还提高了采样速度。系统具有15 nemu的超高灵敏度、1 mOe的磁场分辨率、自带10000 Oe/s的超快磁场变化率和高达10ms/pt的数据采集速度，绘制一个完整的磁滞回线只需30秒。100ms/point 时无样品背景噪声测试，噪声峰值119.5 nemu - 800 nemu（左）；10s/point 时无样品背景噪声测试，噪声峰值13 nemu - 50 nemu（右）✔ 更人性化的操作8600系列产品升级的另一个核心是设备的可操作性。Lake Shore公司将自研的QuickLIGN&trade 安装组件内置于该系列产品中，极大地简化了样品安装和更换的流程，单手即可完成操作。同样，QuickLIGN&trade 安装组件与8600系列VSM的所有变温选件兼容，使得安装和配置温度选件5分钟内即可完成。此外，8600系列的VSM磁体内置了ExactGAP&trade 功能，设置了6个可重复的固定间隙，无需进行重新校准。QuickLIGN&trade 安装组件ExactGAP&trade 可重复磁极间隙调整功能✔ 更强大的操作软件8600系列VSM 配备了全新的测量软件，界面简单，只需几步操作即可实现设置、执行程序、实验测量和数据处理等功能。软件包含一个完整的脚本引擎，用户可以使用提供的标准协议脚本或自行创建脚本，设定自定义实验条件进行测量。当与变温选件(86-OVEN， 86-CRYO， 或86-SSVT)联用时，该软件可以自动检测接入系统的变温选件，并与集成的705气体控制器配合使用，从而在4.2 K~1273 K的整个温区中提供自动化的VSM测量。系统软件还具备处理扩展和补偿数据、校准退磁和斜率因子、规范样品质量和体积、从测量数据中修正及扣除衬底数据以及计算及显示导数曲线等功能，进一步提升了实验的准确性和效率。 8600系列VSM操作软件界面✔ 一阶反转曲线功能FORC一阶反转曲线(FORC)是一种新型磁学测量方法，主要适用于测量含有诸多磁性矿物的自然样品，确定磁性矿物矫顽力的分布以及磁性矿物颗粒之间磁相互作用的强弱，帮助区分磁性矿物的种类和磁畴转换。FORC测量需要较高的磁场变化率和数据采集速率，8600系列VSM的标配系统自带FORC测量功能，可以满足测量参数的需求。FORC的测量结果还可以通过2D图像实时显示，测量结果更直观。一阶反转曲线（FORC）测量数据二、 变温选件Lakeshore的8600系列VSM配备了三种不同的变温选件：SSVT一体化变温选件、CRYO低温恒温器选件和Oven高温选件，以满足不同的温度需求。变温选件采用GlideLOCKTM设计，软件可以自动检测变温选件的安装，操作十分简便。GlideLOCKTM变温选件和温度控制器Lakeshore VSM变温选件温度范围SSVT一体化变温选件：100 - 950K（左）；低温恒温器变温选件 4.2-450K（中）Oven高温炉选件：303-1273K（右）三、矢量线圈组件Lakeshore 8600系列VSM同样提供了矢量线圈组件，配合振动头的旋转功能，可以进行磁性材料各向异性测量表征，从而确定其矢量磁化分量和电感张量。矢量线圈组件可以进行室温测量，也可以与变温选件联用进行变温测量。室温矢量测量（左）；与SSVT选件联用的变温矢量测量（右）关于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.： 美国Lake Shore公司（www.lakeshore.com）是知名的极端温度和磁场条件下高精度测量和控制解决方案的创新者。主要产品包括低温探针台、振动样品磁强计、霍尔效应测量系统、M81同步源测量系统、Janis系列低温恒温器、低温控温仪、低温温度传感器、高斯计及霍尔传感器等。Lake Shore公司一直致力于推动科学发展，其产品解决方案不断创新，应用领域从物理实验室到深太空科学探索不断发展。相关产品1、Lake Shore 8600系列振动样品磁强计

一、项目基本情况项目编号：ZB0107-202304-ZCHW0368项目名称：武汉大学细胞成像平台建设、小动物三维活体光学成像系统和原子力显微镜采购项目预算金额：2350.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：2350.0000000 万元（人民币）采购需求：本项目分成4个包，投标人可兼投兼中，如投四个包则需分开编制标书 ，本项目接受进口包号货物名称单位预算（限价）是否接受进口备注01包高内涵成像分析系统1套700万元接受02包超高分辨率共聚焦成像系统1套850万元接受03包小动物三维活体光学成像系统1套500万元接受04包原子力显微镜1套300万元接受合同履行期限：交货期：01-03包：合同签订后90日内 ；04包：合同签订后240日内 ，质保期：01包和03包：验收合格后至少1年；02包：验收合格后至少3年，包含激光器；04包：验收合格后至少5年本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年04月19日 至 2023年04月24日，每天上午8:00至12:00，下午12:00至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：阳光招采电子招标投标交易平台（网址：https://www.yangguangzhaocai.com/）方式：1.拟参加本项目的投标人须在阳光招采电子交易平台免费注册（网址：https://www.yangguangzhaocai.com ---【新用户注册】，相关操作帮助详见：帮助中心--- 投标人注册操作指南）； 2.注册完成后，请于 2023 年 4 月 19 日至 2023 年 4 月 24 日17:00时止（北京时间）登录电子交易平台，点击【投标人】，在【公告信息】---【采购公告】栏下载采购文件，300元/份（包），售后不退。联合体参与响应的，由牵头人注册及下载采购文件。未按规定获取采购文件的，其响应文件将被否决； 3.本项目非全流程电子标，投标人无须办理CA数字证书； 4.在电子交易平台遇到的各类操作问题（登录、注册认证、报名购标、制作及上传标书等问题），请拨打技术支持电话010-21362559（工作日:08:00～18:00；节假日:09:00～12:00，14:00～18:00)； 5.企业注册信息审核进度问题咨询电话：027-87272708； 6.项目具体业务问题请向代理机构联系人咨询（联系方式详见本公告第七条）。售价：￥300.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：武汉大学本级　　　　　地址：武汉市武昌区八一路299号　　　　　　　　联系方式：吴老师 027-68754589　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：湖北国华项目管理咨询有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：武汉市武昌区中北路109号中铁1818中心10楼　　　　　　　　　　　　联系方式：杨楚君 王丹萍 王刚 刘晓栋 张靖佶 027-87271918　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：杨楚君 王丹萍 王刚 刘晓栋 张靖佶电　话：　　027-87271918

市面绝大多数共聚焦显微镜采用点扫描式激光共聚焦技术，成像速度较慢，难以满足活细胞动态观测、大视野快速扫描等成像需求。长光辰英的S3000转盘共聚焦显微镜采用三条纹转盘共聚焦成像技术，配合电动Z轴快速扫描，将成像速度提高至少二十倍。同时采用LED面光源激发光线更均匀，光毒性、光漂白性大大降低，适合连续观测。作为超快荧光三维成像的革新者，长光辰英的成像产品为活细胞，细胞生物学、微生物学、发育生物学、神经生物学及植物学等领域研究提供快速三维荧光成像的有力工具。推荐产品 S3000超快三维荧光成像系统S3000 超快三维荧光成像系统 (qq.com) PRECI SCS-F荧光单细胞分选仪PRECI SCS 微生物单细胞分选仪 (qq.com) RAColony菌落原位多表型检测与挑取工作站RAcolony 菌落原位多表型检测与挑取工作站 (qq.com) SC-catcher单细胞光镊操纵与分选系统SC-catcher单细胞光镊操纵与分选系统 (qq.com)应用案例Daphnia活体内纳米塑料颗粒排出过程的动态成像Daphnia吃到肠道内的纳米塑料颗粒会产生红色荧光，用共聚焦模式进行拍摄随着Daphnia肠道蠕动，纳米塑料颗粒排出的全部过程。此动图由10min的实际时间缩时到12s。传统点扫描激光共聚焦显微镜很难对动态过程实现拍摄，S3000转盘共聚焦成像系统可以很好地捕捉活体样本的动态变化。斑马鱼活体全鱼3D荧光成像神经细胞转入GFP基因的3d日龄斑马鱼，在镜下进行长达2h的活体动态荧光扫描，整张图由8个视野，每个视野17层进行逐层扫描成像，可以在2分钟内进行斑马鱼活体全鱼的荧光扫描，实现了激光点扫描共聚焦无法达到的速度，更好的保持斑马鱼的活性，提供长时间拍摄的条件。肺组织切片的超大视野快速成像对小鼠肺叶组织切片进行共聚焦切片扫描，在其中橙色标明的气管ROI区域进行更大放大倍数的细节扫描。对常规荧光切片扫描仪难以捕捉及判断的信号进行高清成像。肠道微生物高分辨成像利用能够代谢标记肽聚糖的D型氨基酸荧光探针（FDAA）作为工具，通过使用红绿两种FDAA探针对小鼠进行序贯在体标记，随后，对肠道微生物进行取样，并使用S3000转盘共聚焦显微镜观察双色荧光在细菌上的分布，进而推测其增殖分裂模式。【文章链接：《mLife》丨基于共聚焦荧光成像的单细胞分选测序技术揭示肠道菌群中细菌的分裂模式及种属分类 (qq.com)】【拓展阅读：想知道共聚焦显微镜下的昆虫什么样子吗？(qq.com)】【拓展阅读：HOOKE S3000转盘共聚焦显微镜下的微观世界掠影 第二篇--植物系列 (qq.com)】【拓展阅读：共聚焦显微镜下掠影 第三篇《动物组织系列》 (qq.com)如果您对我们的产品和服务感兴趣，请随时联系我们

光学显微镜至今已有三百多年的历史，从观察细胞的初代显微镜发展到如今打破分辨率极限的超分辨显微镜。近年来，生命科学领域蓬勃发展，对显微成像技术不断产生新的需求，光学显微镜不断向更高分辨率、快速成像、3D成像等高端技术方向发展。我国高端光学显微镜市场长期处于被国外产品垄断的局面，许多关键核心部件依赖进口。令人欣喜的是，近五年来，市场上涌现出多种国产高端光学显微镜，包括超分辨显微镜、双光子显微镜、共聚焦显微镜、光片显微镜等，逐渐打破当前市场格局。基于此，仪器信息网特别制作“破局：国产高端光学显微镜技术‘多点开花’”专题 ，并向国产光学显微镜企业广泛征稿，以了解各企业主要高端光学显微镜产品技术特点和发展进程。本篇为武汉沃亿生物有限公司（以下简称“沃亿”）供稿。自2013年起，沃亿生物先后多次购买骆清铭院士和龚辉教授带领的MOST团队（以下简称MOST团队）技术专利，推出BioMapping1000、BioMapping3000、BioMapping5000和BioMapping9000显微光学切片断层成像（MOST)技术/荧光显微光学切片断层成像（fMOST）技术的系列仪器设备，在国内外得到广泛应用。仪器信息网: 请回顾一下贵公司光学显微镜技术的发展历程。沃亿生物的光学显微镜技术是来源于骆清铭院士和龚辉教授带领的MOST团队发明的显微光学切片断层成像系列技术（MOST /fMOST)。MOST团队从2002年开始，经过近十年的努力、自主研发了拥有自主知识产权的显微光学切片断层成像技术（MOST），通过从理论、方法到仪器的系统性研究，建立了一套完整的技术体系，解决了厘米尺度样品的三维亚微米高分辨成像难题，在此基础上获得了世界上第一套小鼠全脑高分辨率图谱，相关成果发表于2010年Science杂志。为满足不同的科研需求，MOST团队进一步发展了具有不同成像特点与系统性能的fMOST系列成像技术。2013年，MOST团队建立了荧光显微光学切片断层成像（fMOST）技术，实现了单神经元水平的荧光小鼠全脑三维连续成像，并首次实现了单神经元轴突的长程追踪。2016年，MOST团队建立了一种类似全球定位系统（GPS）的全脑定位系统（BPS），实现对荧光标记的单神经元及其共定位细胞构筑信息的双色同时成像，达到在单细胞分辨的三维精准定位下获取神经元的三维完整形态，为神经元分类问题研究提供了可靠的形态学数据，相关结果发表在Nature Communications杂志上。2021年3月，MOST团队在Nature Methods杂志发表了高清晰荧光显微光学切片断层成像（HD-fMOST）技术，利用线照明调制显微成像新原理，实现了高分辨率、高通量、高清晰度、高鲁棒性的全脑三维成像，解决了神经元胞体与突起纤维信号亮度差异极大的探测难题，做到了“在太阳旁边观察星星”。2013年，通过教育部直属高校科研成果公开挂牌交易转让的方式，沃亿生物购买了MOST系列技术的专利。专利买回来后，沃亿生物组织力量开始消化技术，不断去打磨细节、积累经验、调整方案，耗时四年，历经3个重大版本更新，成功推出BioMapping1000产品，实现从原理机到高端科研仪器的转变。该产品适用于Golgi、Nissl、HE等传统组织染色方法，实现对大尺寸生物组织样品的高分辨率三维连续成像，是获取生物组织三维精细结构信息的理想工具，可用于果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、灵长类等模式动物及人体组织的神经、血管等不同结构特征的成像。BioMapping 1000显微光学切片断层成像仪此后，沃亿生物经过近十年的精细打磨，又先后推出了适用于荧光全脑成像的BioMapping3000、BioMapping5000与BioMapping9000系列产品。该系列仪器稳定性高、鲁棒性强，具有长时间不间断的三维数据采集能力，特别适用于自动获取全脑内神经环路投射路径及其细胞构筑信息。仪器信息网: 当前贵公司主推的产品和技术有哪些。贵公司在高端光学显微镜方面有哪些独具优势的技术？ 沃亿生物主要产品为基于MOST系列技术的BioMapping1000、BioMapping3000、BioMapping5000、BioMapping9000，以及配套应用于MOST/fMOST成像的技术服务，包括全脑神经投射、跨尺度血管网络、三维胞体定量分析、单细胞形态学分析、空间蛋白定位、多方位三维成像。沃亿生物的光学显微镜技术最大的亮点是完全基于由我国科研团队发明的原创技术进行成果转化。BioMapping3000设备基于数字微镜阵列的结构光照明调制显微成像方法，具有宽场大容积层析成像的高通量多通道特点，结合转基因小鼠、荧光染料、腺相关病毒(AAV)示踪等荧光标记技术，实现突起级别的三维高分辨荧光成像，适用于神经元和血管的双色成像、形态分析及神经元长程投射追踪、介观神经联接图谱分析、血管网络分析等。BioMappping5000设备采用时间延迟积分（TDI）成像方式，通过对样本的多次曝光和信号累积，在保证高速成像的同时可实现高信噪比的成像，并结合创新性的化学成像样品处理方法可获得高轴向分辨率，实现对全脑树突棘分布的精细成像。BioMapping9000是基于斜光片成像与振动切片结合实现单细胞分辨率的全脑三维快速荧光成像仪器，与前述其他产品相比，具有成像速度更快的优势，能快速获取与分析全脑荧光数据，适合对批量样本进行高效筛选。仪器信息网: 请介绍一下贵公司主推的光学显微镜当前的市场现状如何？整体技术发展趋势如何？从各国脑计划的开展过程可以看到，一系列新型显微成像技术的诞生也在不断帮助生物科学家们拓宽研究场景，进行更深层次的探究。例如，超高分辨光学显微镜突破了光学衍射的极限，在FISH原位杂交等单分子成像领域展现了实力；双光子显微镜更适用于组织深层成像，实现了小型化长时程活体成像。全脑光学成像技术是近10余年新兴的技术领域，利用光学的方法以亚细胞分辨率获得全脑的三维精细结构，在助力脑介观联接图谱的绘制方面独具应用价值。MOST系列技术以高分辨率成像质量为技术特色，在这一领域处于全球领先地位。经过与国内外知名科研院所开展的广泛合作与应用，相关技术路线逐步成熟，已形成了从样本制备、三维成像到数据处理的全链条解决方案，备受合作伙伴的好评与认可，也是目前全脑介观联接图谱绘制的主流技术。基于MOST技术的沃亿生物BioMapping系列设备，也在国内外得到广泛应用，特别是在华中科技大学苏州脑空间信息研究院落地应用，已开始“以工业化的方式大规模、标准化地产生数据并绘制脑图谱，将改变神经科学已有的研究方式”。仪器信息网: 贵公司高端光学显微镜在生命科学研究中有哪些应用？沃亿生物的BioMapping系列产品可用于生物组织样品的单细胞分辨率三维精细结构及空间定位成像，特别是大尺寸样品。可应用于多物种研究，如小鼠、大鼠、树朐、雪貂、猪、猴、人等；可应用于不同器官研究，如脑、脊髓、眼球、肝脏、心脏、肠等；可应用于不同研究模型，如正常模型、疾病模型、发育模型等。MOST/fMOST系列技术已经在神经生物学、发育生物学、肿瘤生物学等领域发挥着重要作用，相关应用成果在Science、Nature等国际知名学术期刊多次发表。通过沃亿生物的BioMapping系列产品，科学家们可以结合Golgi、Nissl、HE等传统组织染色方法和转基因小鼠、免疫染色、荧光染料、腺相关病毒(AAV)示踪等荧光标记技术，以亚细胞分辨率开展大尺寸样本的三维信息获取。依靠这些技术，可以进行全脑任一脑区单细胞形态学分析、三维胞体定量分析、长程和局部神经投射分析；建立哺乳类动物全脑介观立体定位三维脑图谱，绘制脑内不同类型神经元的空间分布图谱及输入输出神经联接图谱，建立模式动物介观脑联接图谱及其数据库。此外，还可以通过对蛋白空间定位分析，绘制具有单细胞分辨率的蛋白表达空间分布图谱，助力脑科学、类器官发育和毒理学相关研究；通过跨尺度的血管网络分析、药物空间分布评估，从脑组织到全器官，从形态学研究到病理机制研究，多方位的三维成像分析，助力血管疾病相关的发病机理和药物研发等研究。还有更多潜在的应用场景，等待我们与合作伙伴一起去开发和展示。可以说，亚细胞分辨率全器官尺度的三维光学成像技术为生物学家打开了一扇窗，可以从三维立体的角度审视相关生命现象，为回答重要的生物学问题提供新的依据。仪器信息网: 从整个行业的角度，对于目前的高端光学显微技术，您比较看好哪些？还有哪些问题亟待解决？现有的高端光学显微技术，特别是全脑光学成像技术主要还是应用在小鼠、大鼠、果蝇等小型模式动物上。我们认为科学研究的最终目标还是要解析人，其中人类大脑皮层约是小鼠的1000多倍，这对技术工具提出了极大的挑战。要实现这一终极梦想，能够对大体积样品进行高分辨成像的完整器官三维光学显微成像技术是关键领域。特别适用于大尺寸生物组织成像的MOST技术，因采用机械切削的方式打破成像深度限制，扩展到人体器官尺度的三维光学成像，相较于其他无需切削的同领域技术将更有优势。当然我们也注意到从小型模式动物的全脑成像跨越到人脑或人体组织器官的三维整体成像，还是有许多技术问题有待解决。例如样本标记技术，不同于模式动物，适用于人体组织器官的标记技术相对较少，转基因、病毒示踪标记等先进的标记技术都无法直接使用，均一、高效的大体积染色技术将值得尝试与探索。扩展到人的完整器官成像，成像范围提高了几个数量级，超大体积样本的制备、成像设备的数据采集效率优化及长时程稳定性、随之而来的PB级数据存储及处理分析等，都将是亟待解决的巨大挑战。仪器信息网: 从整个行业的角度，您如何评价目前高端光学显微镜的应用情况？应用过程中还有哪些亟待解决的问题？未来光学显微镜应用将会如何发展？目前得益于生命与健康领域的蓬勃发展，高端光学显微镜得到越来越多的关注与重视，已逐渐在各大科研院所、医疗机构等普及。全脑三维光学成像技术作为其中典型代表之一，也得到了广泛的应用空间。在推广应用的过程中，我们体会到将学术成果快速转化成商业化、实用性强的设备及解决方案，还存在很多挑战。一项新的技术诞生后，如何展示出独特的应用价值，如何向生物学家快速普及相关知识，如何提高设备的易用性使之成为具有普适性的科研工具，从而广泛应用于更多的科研领域及范围，都是值得我们深入思考并积极寻求解决方案的。我们相信，未来全脑光学成像技术在提高分辨率、成像速度、成像质量、成像范围的基础上，结合体外、体内等功能研究，将广泛应用于不同组织、器官样本的整体三维精细成像，服务于生命科学、医学、农业、材料学等不同领域。 仪器信息网：您如何看待国产光学显微镜生产商和进口品牌厂商的差距？ 目前国内在高端光学显微成像技术的研发上，与国外科研单位的实力越来越接近，甚至在部分领域占据领先地位。然而，整体来说国产光学显微镜，与国外同类产品相比还有一定差距，纯国产化之路还很漫长，尚需在与进口品牌厂商合作交流过程中不断学习并加强技术创新，在软件应用特别是数据分析软件中重点投入或许可以在短时间内实现弯道超车。我们作为高端光学显微镜的国产厂商，深感责任重大，愿意为“光学显微镜中国造”贡献自己的一份力量。仪器信息网: 您认为，未来几年高端光学显微镜的热点市场需求有哪些？未来几年高端光学显微镜的热点市场需求将集中于生物医药、疾病和神经科学等细分领域的高分辨、高通量的全脑三维成像、大尺寸生物组织完整成像（小型模式动物的外周系统或完整个体的整体成像，猴、猪、人等的组织器官成像）、多维度活细胞动态成像、细胞器超分辨成像、动物活体深层成像等。除了成像设备本身，配套的样本标记技术、样本包埋技术、成像数据采集、数据分析与管理等科研服务也有着巨大的市场需求。无论是显微光学切片断层成像技术（MOST）还是荧光显微光学切片断层成像技术（fMOST），沃亿生物作为BioMapping系列设备的生产厂商，不仅进行设备销售，还提供从样本制备、数据采集到数据分析及交付的高分辨率三维结构成像全流程技术服务，相信未来一定能为更多的客户和合作伙伴们提供高质量的产品和全方位的服务。

神舟十五号航天员乘组近日使用由我国自主研制的空间站双光子显微镜开展在轨验证实验任务并取得成功。记者27日从空间站双光子显微镜项目团队获悉，这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像，为未来开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具。　　双光子显微成像技术是基于双光子吸收及荧光激发的一种非线性光学成像技术，具有高分辨率、强三维层析能力、大成像深度等特点。由于传统的双光子显微镜整机系统庞大，不能满足在轨实验仪器设备对可靠性、体积、重量、抗冲击和振动性能等的苛刻要求，此前国际上还未能实现双光子显微成像技术在空间站在轨运行与应用。　　2017年，北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平院士带领团队成功研制探头仅重2.2克的微型化双光子显微镜，为空间站双光子显微镜的开发奠定基础。2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，由北大程和平、王爱民团队，中国航天员科研训练中心李英贤团队，北京航空航天大学冯丽爽团队联合相关企业及院所组建空间站双光子显微镜项目团队，由程和平担任总负责人。项目组攻克多项显微镜小型化技术难题，于去年9月研制成功空间站双光子显微镜。　　项目团队成员、北京大学未来技术学院助理研究员王俊杰博士介绍，去年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界首台进入太空的双光子显微镜。近日，神舟十五号航天员乘组完成了双光子显微镜的安装、调试和首次成像测试，成功获取了在轨状态下航天员脸部和前臂皮肤的在体双光子显微图像。　　据悉，空间站双光子显微镜能以亚微米级分辨率清晰呈现出航天员皮肤结构及细胞的三维分布，具备对皮肤表层进行结构、组分等无创显微成像的能力。成像结果显示，皮肤的角质层、颗粒层、棘层、基底细胞层、真皮浅层等三维结构清晰可辨。　　“空间站双光子显微镜是体现我国高端精密光学仪器制造水平的重要成果。”程和平介绍，此次在轨验证实验实现了多项第一，例如世界上首次实现双光子显微镜在轨正常运行；国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行；国际上首次在轨观测航天员细胞结构和代谢成分信息。“这些不仅为从细胞分子水平开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具和方法，也为未来利用中国空间站平台开展脑科学研究提供了重要的技术手段。”

“为了更关键的可行性验证，我们需要直接在人体上采集活体成像数据。不过毕竟仪器还处于实验室里的工程样机阶段，搬去临床科室的条件尚不成熟。这时候伊丽莎白希尔曼 （Elizabeth M. C. Hillman）教授当仁不让地站出来，成为了 Medi-SCAPE 系统的第一位志愿者。”中国科学技术大学特任研究员梁文轩回忆道，“这样的成像实验我们至少做了三次，每次都持续三四个小时，全都是希尔曼 教授自己做受试。因为她坚持表示，在充分验证安全性之前，必须由她自己承担风险。”梁文轩博士（图片来源于网络）2022 年春季，他选择回国加入中国科学技术大学。在此之前，其在美国哥伦比亚大学祖克曼研究所从事博士后研究。针对临床对在体实时三维病理学显微成像的需求，他研制了小型化的扫掠共焦对准的平面激发（swept confocally-aligned planar excitation，SCAPE）原型系统，并通过实验探索了其在实时在体病理学成像领域的应用潜力。2022 年 3 月 28 日，相关论文以《高速光片显微镜用于原位获取活体组织的体积组织学图像》（High-speed light-sheet microscopy for the in-situ acquisition of volumetric histological images of living tissue ）为题发表在 Nature Biomedical Engineering 上 [1]。图丨相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）实时在体三维病理学成像的需求组织病理学在医院各科室的疾病诊疗中应用广泛，是包括各种癌症在内的绝大多数临床疾病的诊断金标准。常规的组织病理学检查首先需要活检取材，即通过开放式活检、内窥镜活检、穿刺活检等方式，在（疑似）病变区域切取小块组织样本，然后将该组织样本送检病理科，之后经过固定、脱水、浸蜡、包埋等一系列处理步骤制成病理切片，并将其放在光学显微镜下，观察组织的微观结构与细胞形态，从而分析和获取相关的病理学诊断信息。不过，需要说明的是，这套传统的标准流程也存在一定的局限。首先是得到病理准确结果的等待时间长，至少要十几个小时。后来临床中发展出了术中冰冻病理切片，简化了组织处理的步骤，但依然需要大概 20 分钟，所以无论是常规的组织病理还是术中冰冻病理，都不适合需要实时诊疗反馈的场景。其次，活检取材加病理学切片观察本质上是离体的观测手段，难免会切除正常组织，影响患者体验和术后恢复。此外，离体的活检组织会失去其在体时的代谢和功能动态，而这些信息却对判断活体组织的状态和病变程度来说颇具价值。因此，需要探寻一种更为理想的解决方案。比如，研发一种在体、原位的光学显微成像方法，在不切除组织的情况下，能够直接可视化活体组织的三维微观结构乃至其功能动态，给医生提供实时或者至少是即时的组织病理学级别的图像信息。这样既可以在肿瘤切除手术中为医生提供实时的诊断反馈，推动提升手术的精准度和疗愈率，也可以在诸如早癌筛查、治疗随访等临床场景中，辅助医生更准确、更快速地评估待探查组织的健康或病变状况，及时采取相应的诊疗措施，在保证检测准确率和灵敏度的前提下，尽量减少对正常组织的损伤，最终改善诊疗效率和患者体验。据介绍，临床上现有的各种手术显微镜和内窥镜，大多是基于宽场照明的反射光显微镜，只能拍摄组织表面的形态，无法可视化皮下（或黏膜下）的组织形态。因此，要想在不切片的前提下直接获取厚生物样本（即使仅有几十微米厚）的三维层析图像，也即实现对原位在体组织的三维显微成像，需要开发具有光学层析能力的三维光学显微成像方法。过去几十年来，具备光学层析能力的活体显微成像技术取得了诸多进展，诞生了多种不同的成像机制。其中，与病理学显微成像密切相关的主要有两大类。第一类是基于“点扫描光学层析”的显微成像，典型代表包括共聚焦（反射或荧光）显微镜、双光子荧光显微镜等。但其成像速度不足，易受活体组织运动的影响，难以实施大范围或者三维扫描成像。第二类是光片荧光显微镜，也被称为层状光选择照明显微镜。但由于其狭窄的样本空间，这种显微镜不适用于临床场景的活体组织成像。所以，理想的适合于实时在体病理学成像的显微成像技术应该具备以下几个方面的特征。第一，能够实现“无需切片、胜似切片”的三维成像效果的光学层析能力。第二，微米级别的空间分辨率。第三，可以兼容不同的组织形状和前视式成像架构的开放的样本空间。第四，拥有尽可能高的三维体积成像速度，以有效对抗活体组织运动的干扰，使得快速、大范围、三维全景成像成为可能，为临床诊疗提供更丰富、更全面的图像引导。探索 SCAPE 显微术于实时在体病理学成像领域的应用据介绍，基于前述的临床需求和现有成像技术的局限，在导师的指导下，他所在的团队启动了将 SCAPE 显微成像技术应用于实时在体病理学成像的探索，并将此研究项目称之为 Medi-SCAPE。作为扫描斜光片三维显微成像方法的代表，SCAPE 显微术由希尔曼 课题组于 2015 年率先提出。简单来说，其基本的工作原理是，使用单个主物镜既产生（相对于主光轴）倾斜的激发光片，又收集光片所激发的荧光，即同一个物镜以“双肩挑”的方式既用作激发物镜也用作探测物镜，从而将传统光片显微镜的正交双物镜架构简化为 SCAPE 的单物镜前视式架构。在继承正交光片显微成像的光学层析能力的基础之上，SCAPE 显微镜的第一个优势是提供了开放的样本空间。无论是线虫、斑马鱼、果蝇等模式动物，还是人体的器官和组织，只要能放置于主物镜前面，就可以实施三维成像，视野范围大约为 0.8 毫米见方 0.3 毫米深。其单物镜前视式架构与宽场手术显微镜和内窥镜一致，天然适合临床中的实时在体成像需求。不仅如此，SCAPE 显微镜还巧妙引入了远程光片扫描与去扫描机制，整机除了扫描振镜以外，没有其他的机械运动部件，可以在主物镜与样本保持相对静止的前提下完成高速三维成像，极大程度地提升了二维帧率和三维体积率的上限。在实际中，受限于科研级互补金属氧化物半导体相机的帧率，现行 SCAPE 显微镜的体积率大约在 10 体积/秒左右，相较点扫描模式而言，已经有数量级的提升，这是 SCAPE 显微镜的另一个重要优势。尤为关键的是，SCAPE 的三维体积率优势，使得在体大范围三维全景成像成为可能。医生不再需要采集规则排布的三维体数据阵列，而是可以自由地操控 SCAPE 显微探头，在待探查组织的表面随意游走。即使存在活体组织与探头之间的无规则轴向相对运动，SCAPE 的高速三维体积率仍能保证相邻的两组体数据块之间有足够的三维空间重叠，从而支持后期通过三维配准和融合算法“去抖动”，实现“漫游式”扫描三维全景成像。“这对于肿瘤边界判别、早癌筛查等临床应用尤为关键，也是我们希望将 SCAPE 显微镜推向临床应用的重要动力和信心来源。”他表示。据其介绍，SCAPE 显微成像技术问世以后，首先在生命科学领域的研究中显示了强大的潜力，在基础科学和技术创新两方面，都取得了一系列重要进展。在以往的成像实验中，样本通常是表达了荧光蛋白或钙离子指示剂的转基因培养细胞或者模式动物，其拥有相对较强的荧光信号。但在临床活体成像应用中，显然不能在人体细胞中表达荧光蛋白，而临床上获批允许用于人体的荧光染料的种类和特异性也有限。因此，该团队更希望能够借助机体的自发荧光来实施无标记成像。不过，需要说明的是，自发荧光是相对较弱的。那么，SCAPE 显微镜能否利用无标记组织的自发荧光信号，获得与标准病理学图像一致的微观组织结构，以及其成像结果能否有效反映健康组织和病变组织，在微观形态学或功能学方面的区别呢？图丨用 Medi-SCAPE 对多种新鲜小鼠组织进行无标记成像（来源：Nature Biomedical Engineering）围绕这一问题，该团队首先在小鼠上试验了肝、脾、肺、肾、胰腺等新鲜离体的器官或组织，验证了 SCAPE 显微镜能够在不破坏目标组织的前提下，有效地可视化其三维微观结构，并得到了与组织病理学切片图像高度匹配的三维图像。并且，他们也在活体小鼠肾脏上诱导了缺血和再灌注的过程，并成功追踪了肾皮质中近端和远端肾小管的荧光信号在此过程中的动态变化，验证了 SCAPE 显微镜在快速三维结构成像的同时，也能够捕捉活体组织的功能动态。图丨小鼠大脑和肾脏的体内功能成像（来源：Nature Biomedical Engineering）进一步地，他们测试了被手术切除的慢性肾脏病患者的新鲜肾脏，从 SCAPE 图像中清晰地观察到了小血管粥状硬化等血管形态方面的诊断特征，分辨毛细血管簇、鲍曼囊腔等肾小球内部结构，并能够区分出正常和出现硬化症的肾小球等。研制小型化 SCAPE 显微镜样机，实现同等效能的高速三维体积成像上述在体或新鲜离体小鼠组织的成像实验，都是在台式 SCAPE 显微镜上进行的。由于该设备的占地面积约 1 平方米，体积庞大，结构复杂，所以并不适用于术中肿瘤边界判定或皮肤病变治疗随访等临床场景。梁文轩 表示：“要在这些场景下充分发挥 SCAPE 显微技术的潜能，就需要一台小型化、轻便化的 SCAPE 显微成像探头。能否小型化或微型化，以及能小型化到什么程度，这是 Medi-SCAPE 项目需要回答的第二个关键问题，也是我当时主力承担的课题任务。”他和导师经过仔细分析，决定在第一代样机设计中不追求极致微型化，而是尽量采用市面上可以买到的元件，以完成初步的可行性验证为重点。基于此，梁文轩 通过深入思考，提出了模组化的创新架构。首先将光片生成透镜与荧光探测物镜整合为远端收发模组，简化掉了台式 SCAPE 设计的二向色镜和分叉光路；然后优化折叠了从第二物镜到主物镜的近端级联 4f 光路，使得前端模组更加紧凑。由此配合选用尺寸小得多的光学元件，他成功研制了一台小型化 SCAPE 显微镜样机，使整机面积缩小至台式 SCAPE 的 20%，并取得了同等水平的荧光收集效率和三维分辨率（约 0.81.12.1 微米），能够以约 10 体积/秒的体积率扫描成像约 400×700×160 微米长宽深的三维视场，且同样能够利用内源性自体荧光进行高速三维体成像。小鼠新鲜无标记组织的成像实验表明，该样机能够清晰解析肝、肾、肠粘膜等多种器官的细胞级精细结构。“虽然该样机的前端探头部分与科学级互补金属氧化物半导体相机装配在一起，并没有完全做到轻便灵活的手持式探头形态，但其全面采用了尺寸更小的光学元件，依然为 SCAPE 显微镜的小型化提供了有力的可行性验证。”他补充说。图丨 Medi-SCAPE 系统设计（来源：Nature Biomedical Engineering）此外，在台式和小型化 Medi-SCAPE 平台上，该团队还利用健康志愿者的舌头，模拟了大范围漫游采集模式。实验中由志愿者随意地“舔过”主物镜来模拟漫游模式，然后从所得的高速“体数据流”中可以准确估计和恢复相邻体数据块之间的三维错位，进而通过配准与融合算法生成涵盖若干毫米范围的三维全景图像。拼接后的全景图像呈现不规则的边界，这说明在应用 SCAPE 进行全景三维成像时，并不需要仔细地控制漫游轨迹，这也是 SCAPE 显微术独特的优势所在。“等到将来研制出更加便携的手持式 Medi-SCAPE 探头时，医生可以灵活地操控该探头在各种组织表面自由地游走以及调整探头的倾角，无需担心这些操作对三维全景拼接的影响，大大提升探头的临床实用性。”他说。图丨人体口腔的活体成像（来源：Nature Biomedical Engineering）致力于为基础科学和临床应用提供切实有益的解决方案据梁文轩介绍，他本科和硕士就读于清华大学生物医学工程系，以医学影像为主要研究领域。在硕士阶段，其研发了基于数字信号处理器芯片（Digital Signal Processor，DSP）的高性能三维锥束 CT 重建算法，通过深入底层汇编语言的流水线并行算法，大幅刷新了 DSP 平台上的算法性能记录。硕士毕业后，他来到美国约翰斯霍普金斯大学生物医学工程系攻读博士学位，将研究目光转向生物医学光学与光子学领域。在博士阶段，他主导研发了两代基于光纤扫描的微型双光子显微内窥镜，在直径仅 2.2 毫米、重量不足 1 克的超微型内窥探头中集成了双光子激发、焦点扫描和荧光收集等全部功能。博士毕业后，其在约翰斯霍普金斯大学从事了半年多的博士后研究，后入职哥伦比亚大学祖克曼研究所，跟随 SCAPE 显微技术的发明人开展博士后研究。除了如前所述的小型化Medi-SCAPE 样机研发，他还提出了基于纤维光锥的跨介质中间图像耦合机制，解决了制约介尺度 SCAPE 显微镜的信号效率瓶颈，并据此研发了具备 440.4 毫米长宽深超大视场的 meso-SCAPE 系统。目前，他在中科大担任特任研究员，在合肥本部物理学院和苏州高等研究院生物医学工程学院同时开展教学与科研工作。关于该项研究，他表示会有两个方面的后续计划。一方面是进一步推进 Medi-SCAPE 的微型化，朝着 10 毫米直径的细长硬管形手持式 Medi-SCAPE 探头，以及直径 3 毫米以下的柔性光纤微型 SCAPE 探头等目标前进。另一方面是与临床专家紧密合作，深入理解不同科室的特点和对在体病理学成像技术的需求，从而定制化开发台式、手持式或内窥式架构的 Medi-SCAPE 成像设备，并联合开展成像实验和临床测试等。此外，他所带领的课题组，未来仍会围绕活体三维显微成像开展方法学创新与应用研究，探寻成像原理、采集策略、架构设计等方面的方法学创新，为基础生命科学研究和临床诊疗应用创制切实有益的前沿技术和解决方案。“欢迎具有交叉学科背景或是希望获得交叉学科训练、有志于推动自主知识产权国产高端科研和医疗仪器研发的同学加入课题组，也诚挚希望能与怀有同样愿景的学术界和产业界同仁取得联系，深入磋商，共同努力。”梁文轩 最后说。参考资料：1. Patel, K.B., Liang, W., Casper, M.J.et al. High-speed light-sheet microscopy for the in-situ acquisition of volumetric histological images of living tissue. Nature Biomedical Engineering 6, 569–583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41551-022-00849-72.Voleti, V., Patel, K.B., Li, W. et al. Real-time volumetric microscopy of in vivo dynamics and large-scale samples with SCAPE 2.0. Nature Methods 16, 1054–1062 (2019). https://doi.org/10.1038/s41592-019-0579-4本文作者：路雨晴

“我们开创了受激拉曼光热成像[1]这个全新的方向，这是化学成像领域的一个新突破，这项技术未来一定会发展成为能够被广泛应用的产品。”美国波士顿大学程继新教授如是说。图丨程继新（来源：程继新）在这次研究中，程继新团队利用一种新的物理机制，即受激拉曼本质上是一个化学键振动吸收过程，吸收的能量变成热形成焦点局部升温，升温改变焦点周围样品的折射率。由此，他们开发出受激拉曼光热（Stimulated Raman Photothermal，SRP）显微镜。该技术突破了此前受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）成像的检测极限，将调制深度提高了 500 倍，极高的调制深度为更高灵敏度的检测奠定了基础。那么，与 SRS 相比，SRP 有哪些不同呢？具体来说，SRS 显微镜直接测量光被吸收后强度的变化，并提供光谱和空间信息；而 SRP 显微镜则是测量由样品热膨胀引起的光散射或由热透镜引起的折射，观察样品本身的温度、折射率等变化，进而提供光谱和空间信息。化学成像技术能够“追踪”细胞中的分子信息，但该领域最大的瓶颈之一是灵敏度。SRS 显微镜在揭示复杂系统中的分子结构、动力学和耦合方面显示出巨大的潜力。然而，由于其较小的调制深度和脉冲激光的散粒噪声，SRS 的灵敏度难以突破毫摩尔级，这导致其无法对低浓度分子的观察及对相关信息的追踪。此外，不可忽视的是，在使用 SRS 成像时，研究人员必须使用高倍物镜来收集信号。如果想得到高分辨成像，就必须将两个高倍物镜挤在一起，这在操作上带来极大的不便。而 SRP 的优势在于操作简单、方便，只需要低倍物镜就能够测量相关信号，且检测物镜和样品之间可以保持一定的距离。由于 SRP 显微镜非常灵敏，可以通过它观测不同的分子、不同的化学键，填补了该领域的数据空白。该技术有望应用于环境科学、材料科学、生命科学等领域，例如环境中微塑料检测、绘画作品成份分析、病毒单颗粒谱学、单细胞和生物组织成像等。一次“因祸得福”的聚会开启了一个新方向该技术背后的科研故事要从一次“因祸得福”的聚会说起。2021 年，在程继新 50 岁生日时，举办了一次课题组聚会，其中的主题之一是篮球比赛。组内成员博士研究生朱一凡在运动时不小心受伤了，因此需要在家休养 2 个月。于是，程教授交给他一个计算方面的任务：在受激拉曼散射成像时，聚焦焦点的温度变化具体是多少？根据朱一凡的模拟结果，在大概 10 微秒的时间里，相关温度上升了 2 至 3 摄氏度，这个结果很快引起了程教授的高度关注。“这个范围的瞬态温度变化不会损害细胞。于是，我们开始探索拉曼效应用于光热显微镜这个全新的方向。”程继新说。图丨SRP 显微镜设计（来源：Science Advances）从计算方面确定了温度升高的数据，那么，如何在实验上证实温度升高呢？研究人员想到，可以用对温度很敏感的荧光染料来做温度计。具体来说，把荧光染料加入样品，在受激拉曼激发的同时进行荧光测量。实验结果证明荧光强度呈下降趋势，以此在实验上确认了受激拉曼导致的温度升高（如下图）。图丨受激拉曼光热效应的理论模拟和实验观察（来源：Science Advances）但是，荧光测试是有标记的测量，而他们更想通过无标记（label-free）的方式测量光热信号。于是，研究人员用“第三束光”测折射率的变化，可以在纯液体中得到同样的信息，而且这种做法不受脉冲激光噪音的影响。最终，他们突破了此前 SRS 成像的检测极限，将调制深度提高 500 倍。组内成员博士研究生殷嘉泽以中红外光热显微镜（Mid-infrared photothermal microscopy）为主要研究方向，于 2021 年发展了一种新方法，用快速模数转换直接提取光热信号[2]。该方法同样适用于 SRP 显微镜，从而有效地提高了其检测灵敏度。图丨生物样品在水溶液环境中的 SRP 成像（来源：Science Advances）此外，组内成员博士研究生戈孝伟为本次开发 SRP 显微镜提供了 SRS 的实验基础。由此可见，研究是一个逐渐积累的过程，并需要团队成员发挥各自的优势，这充分体现了“众人能移万座山”的精神。图 丨相关论文（来源：Science Advances）近日，相关论文以《受激拉曼光热显微镜实现超灵敏化学成像》（Stimulated Raman photothermal microscopy toward ultrasensitive chemical imaging）为题发表在 Science Advances [1]。波士顿大学博士研究生朱一凡为该论文第一作者，程继新教授为论文通讯作者。16 年磨一剑1999 年，程继新在香港科技大学从事第一个博士后研究，他选择了一个技术较为成熟的研究方向——超快光谱学（ultrafast spectroscopy）。同年，诺贝尔化学奖颁予飞秒时间分辨的超快光谱学技术。2000 年，他加入国际单分子生物物理化学的奠基人之一、哈佛大学谢晓亮教授（现北京大学李兆基讲席教授）课题组，从事第二个博士后研究。在那里，程继新和其他同事开发了可实现高速振动光谱成像的相干反斯托克斯拉曼散射（coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS）显微镜。2014 年，诺贝尔化学奖颁予超分辨率荧光显微技术。但是，荧光显微镜不能解决生物成像领域中所有的问题，例如，荧光染料标记会改变胆固醇、氨基酸等小分子的生物功能。因此，生命科学需要无荧光染料标记的分子成像技术。程继新表示，“选键成像很好地解决了分子选择性的问题，其不仅能看到各种分子，又不需要对分子进行荧光染料标记。”梦想很美好，现实却充满挑战。能不能通过发明新技术，去做荧光显微镜做不到事情？“继新”人如其名，从学生时代就喜欢啃“硬骨头”的他，继续探索。博士后研究工作结束后，程继新于 2003 年来到美国普渡大学任教，在那里，他将分子光谱学与生物医学工程融合，致力于化学成像这一新兴领域。2007 年，该课题组报道了一个有趣的发现：由于受激拉曼增益和损耗，一部分能量从光子转移到分子[3]。因为脉冲式的能量吸收可以产生声波，该发现促使其团队开发出受激拉曼光声显微镜（stimulated Raman photoacoustic microscope）。然而，由于当时的光声测量不是很灵敏，他们没测到受激拉曼光声信号。幸运的是，在一个意外的实验中，他们发现了基于泛频激发的光声信号[4]，并开发了检测血管内壁胆固醇的振动光声内窥镜。图丨中红外光热选键成像的原理（左）及产品展示图（右）（来源：程继新）为寻找增强化学键成像信号的方法，他们再次调整研究方向。通过“thinking out of the Raman box”，开启了中红外高分辨光热成像这一全新的方向。由于分子振动吸收的能量在皮秒的时间尺度上全部转化为热能，程继新意识到，光热效应可以用来“看”细胞里的化学键。2016 年，他们报道了高灵敏度中红外光热显微镜 (Mid-infrared photothermal microscope)，突破性地实现中红外超分辨三维动态成像。通过用可见光来测量光热效应，该技术能够以亚微米分辨率“看见”活细胞中的化学组分，首次使单细胞红外显微成像成为可能[5]。2017 年，程继新加入波士顿大学担任光学中心的 Moustakas 光学及光电子学讲席教授。他的团队致力于精准医学光子学技术的研发，研究覆盖了化学成像、神经调控、光学杀菌等三个方向。其课题组在全球首次通过光声信号来刺激、调节神经细胞（如下图）。最近，他们设计了一种用于无创神经刺激的高精度（0.1 毫米）光致超声器件，并在小鼠模型成功验证，第一次利用非遗传途径进行超高精度的无创神经调节[6]。此外，他们还发明了一种通过光解色素来杀死抗药性超级细菌的方法[7]。图丨光致超声神经刺激工作原理图和横向声场压强分布（来源：程继新）程继新认为，真正原创的工作不是被设计出来的，而是实现了从来没想过会发生的事情。“原创的科学是由直觉推动的，并得益于长期不懈的努力和积累，所谓的‘突破’其实是一个量变到质变的过程。”他总结道。不止于科学技术的创新，在推进技术产业化落地的过程中，更是让他感叹“应用范围超乎了最初的想象”。据悉，程继新拥有 30 多项国际专利，并作为联合创始人或科学顾问参与了多项技术的产业化。2015 年，基于分子振动光声技术，程教授和学生们共同创立了 Vibronix Inc.，该公司致力于振动成像技术研发和医疗设备创新，现位于苏州工业园区。2018 年，作为科学顾问参与建立了光热光谱公司（Photothermal Spectroscopy Corp.）。该公司位于美国加州，基于程教授的中红外光热成像专利开发了一款名为“海市蜃楼（mIRage）”的显微镜，寓意为“信号来自于折射率的变化”。据了解，该产品目前已销往世界各地百余实验室。2019 年，程继新联合创立了 Pulsethera 公司，旨在通过内源发色团的光解作用杀死超级细菌。2022 年，程继新成为法国巴黎 AXORUS 公司的科学顾问，该公司致力于光声神经刺激技术的医学转化。谈及技术的推进产业化落地的经验，程继新表示，在发展某项技术时，可能最开始只聚焦在生命科学领域的某个细分方向，但将技术真正发展为产品，其应用范围之广可能是当初没有想到的。他举例说道：“mIRage 现在被应用在半导体领域，用来检测芯片中的污染。芯片中的污染多数是有机物，因此能够通过化学键成像来检测芯片的质量，这完全超乎了我的想象。”图丨2023 年 8 月，程继新课题组的部分成员合影于首届化学成像 Gordon Research Conference（来源：程继新）回顾三十年的科研之路，程继新认为，最有回味的事情是每个阶段都有新惊喜。化学成像领域每经过大约 8 年就要进行一次技术革新，从 1999 年的 CARS 显微镜到 2008 年的 SRS 显微镜，到 2016 年的中红外高分辨光热成像，再到 2023 年的 SRP 技术。“几年前还觉得是天方夜谭的事情，都通过发明新的技术实现了，由此一步步将领域发展向前推进。”程继新说。下一步，该团队将继续发展无荧光标记的化学成像，进一步提升灵敏度，同时发展深组织的高分辨化学成像技术。他们希望，能够利用高能量的激光器将 SRP 的灵敏度提升到接近于荧光显微镜的微摩尔级别。同时，他们计划尽快将该技术发展为产品。据悉，美国加州的Photothermal Spectroscopy Corp.及中国苏州的威邦震电公司（Vibronix Inc.）正在推进相关的产业化进程。从 2007 年观测到受激拉曼过程的能量转移，到 2023 年报道 SRP 显微镜，对程继新来说，这是一次历经 16 年的科研旅程。在本次的 SRP 论文发表后，他在朋友圈这样写道：“科学很酷，生命短暂。我的下一个 16 年会是什么样呢？”

据New Atlas报道，了解细胞和细菌的微观世界非常重要，但要进行详细研究却很困难，尤其是在不伤害受试者的情况下。洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员现在开发了一种新的显微镜技术，结合了现有的两种技术，使科学家能够建立细胞内部和外部的高清和三维图像。科学家已经开发出很多不同的显微镜成像技术，但它们都有其优点和缺点。电子显微镜可以揭示标本表面的复杂细节，但它不能用于活细胞，因为电子束的强度会破坏样本。其他方法，如荧光显微镜，不会伤害样本，但要以分辨率为代价。因此，对于这项新的研究，EPFL的研究人员从开发他们自己的成像技术开始。它是基于现有的一种叫做扫描探针显微镜（SPM）的技术，用探针尖刺入样品以绘制出其表面。然而，这对细胞是侵入性的，所以EPFL团队用一个玻璃纳米孔取代了这种探针，测量离子的流动而不需要接触样品。他们把这种方法称为扫描离子电导率显微镜（SICM）。该团队将这种新的SICM技术与现有的一种叫做随机光学波动成像的技术结合起来，后者可以窥视细胞内部，观察里面的各种分子和过程。这两种技术结合在一起，使科学家能够同时拍摄细胞内部和外部的高清三维图像。该研究的作者Samuel Mendes Leitão说：“一个细胞的膜是它与周围环境互动的地方。它是许多生物过程和形态变化发生的地方，比如在细胞感染期间。我们的系统让研究人员分析细胞内的分子排列，并绘制出它们与膜动态的关联。”也许最重要的是，他们可以随着时间的推移监测过程，从一秒钟以下到数天的规模。在测试中，该团队能够观察哺乳动物细胞的移动、交流、分化、通过其膜吞噬分子以及被细菌感染。研究人员说，这项新技术将是感染生物学、免疫学和神经生物学的一个非常有用的工具，但也可以在能源科学等其他领域找到用途，以帮助生产太阳能燃料等事情。相关研究成果发表在《ACS Nano》和《自然通讯》杂志上的两篇论文中。

显微仪器是科学研究中常用的一种仪器，专门用于观察微观事物，但是科学研究经常是既要观测微观，又要了解全貌。清华大学团队日前发布的新型智能光场显微仪器就突破了传统显微仪器的能力“瓶颈”，做到了既能观测微观，又能观测全貌，同时还可以在动物活体时实现对其细胞的高精度三维观测，这是我国在高端仪器领域研发和产业化方面又一个突破。在清华大学成像与智能技术实验室，同学们正在使用由中国工程院院士、清华大学信息科学技术学院院长戴琼海团队开发的新型智能光场显微仪器，对小鼠的大脑神经元活动进行观测研究。屏幕上可以看到小鼠脑部影像，实时展示小鼠脑神经对图像、音乐等刺激做出的不同响应过程。据介绍，新型智能光场显微仪器借鉴了果蝇的复眼结构，通过几百万个微小镜头捕捉细胞所发出的微弱荧光，同时研发团队独创了数字自适应光学架构，首次在显微仪器上实现了既“看得宽”又“分得清”的效果，不仅能清楚显示细胞及细胞器层面的微观场景，传统显微仪器无法做到的整体观测、三维观测、长时程高速观测也能够一一实现，将可应用于生命科学和医学等多领域研究。解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科学术主任 戴朴：它给我们带来的革命性变化，首先是宽视场，一个非常大的空间范围，甚至它有一定的深度，形成了一个立体3D的观察。耳蜗接收到信号以后，它在大脑有一个非常复杂的传递过程，要涉及各级的神经元，通过长时程和宽视场的仪器观测，就有可能能够揭示出听觉活动的规律。

世博会徽标、招手的海宝、迎客的茶壶……在一个高2.8米、直径1.3米宛若水帘洞的圆柱体空间内，一件件上海世博会标志物栩栩如生地展现在人们眼前。没有观看角度的限制、无须佩戴特制眼镜，人们惊喜地体验到360度全景观看这些三维立体影像的璀璨感受。日前，由华东师大信息科学技术学院教授刘锦高课题组研发的“三维体扫描大型成像显示器”正式亮相，即将在世博会重大活动中使用。这一精准同步的光、机、电一体化高科技产品将引领人们感受真正的三维立体效果。 　　首创“旋转真三维”显示系统 　　真正的三维立体效果，是将物体的长度、宽度、深度(厚度)直观地进行再现。由于条件限制，多数三维立体效果在深度的展示上都有所欠缺，即使是观看3D电影，有时还是会受到观察角度的限制，无法完全享受身临其境之感。然而，华东师大研发的这套全新的三维体扫描电子系统的核心部件由数十枚32位CPU组成，它们的运算能力远胜一般的多核计算机。它将立体对象提取出不同的切面、切片进行显示，利用扫描在三维空间的体像素构成了立体图像，展示了一个最接近真实物体的立体画面。这套拥有水平与垂直视角的全角光场立体显示器，满足了水平视差与垂直视差的观看要求，再现人们观察世界的真实感受，并获得高亮璀璨的显示效果，从而带给人们质感的3D影像。 　　刘锦高课题组此次研制大型体扫描显示器仅用了短短几个月的时间，克服了一系列困难。目前，课题组已成功研制了一套大型显示系统及一套备份系统。显示器的首度公开亮相，标志着一种全新的大型立体显示方式的诞生。它突破了以往裸视三维立体显示技术(例如LCD、PDP技术等)需要借助二维平面来展现三维影像的瓶颈，通过对物体进行旋转扫描，将图像置于一个真实的立体空间，实现了真正意义上的三维立体显示。该研发工作得到了上海市科委的大力支持。 　　刘锦高表示，此套系统是我国自主研发的产品，属世界首例，拥有完全的自主知识产权。 　　探索计算机图形学新领域 　　“目前的计算机图形学主要基于平面光栅扫描理论。而这套新系统的研发为计算机图形学向三维体扫描方向的发展奠定了基础。”刘锦高告诉记者，三维体扫描大型成像显示器的研制成功，突破了传统计算机图形学理论，为图形扫描理论和技术的发展开辟了新的研究方向，并提供了有力的实例论证。 　　他表示，目前，体扫描计算机图形学还处于探索阶段，仍有许多问题需要进一步细化研究。“这对于我们科技工作者来说，意味着新的一轮挑战。” 　　力拓技术应用的崭新境界 　　这套显示系统在军事训练、医疗诊断、数据可视化、工程产品设计、景观建筑、视频游戏、虚拟现实、多媒体教学等方面具有广阔的应用前景。 　　“就以医疗诊断来说，我们通过CT、核磁共振获取的人体或器官扫描影像本来可以提供三维数据，但由于三维成像显示技术尚未成熟，目前只能以胶片或其他介质的二维形式来显示，需要有经验的医学专家才能判读，增加了诊断的难度。若将这些数据通过三维体扫描显示器来再现，就会有超乎想象的突破。再如，关于航天飞机的设计，我们可以在任何部件的设计改进之后马上显示其整体效果。”刘锦高如数家珍般给出不少例子。

据国外媒体报道，荷兰埃因霍温科技大学的研究人员开发出一个新的软件工具，该工具使用特殊技术将核磁共振成像转化成三维图像。医生借助该工具能够看见病人的大脑线路和线路连接的图像，在不用进行手术的情况下就可以研究病人的大脑线路。 　　生物医学图像分析教授巴尔特说，对于脑神经外科医生而言，知道大脑中重要神经束的精确位置是极为重要的。他举例说，对帕金森氏症患者进行“深部脑刺激”可以抑制他们的病情，有了这个新工具，医生可以在图像上看到大脑线路，从而能够更为准确地决定在大脑的何处埋置电极。这项新技术也能为神经和精神疾病带来新的曙光。而且重要的是，脑外科医生事先知道重要神经束的位置，在对病人进行治疗时就能够避免损伤，这是一个巨大的进步。 　　该软件工具是基于一项最近开发的叫做“哈尔迪”(高分辨率漫射成像)的技术。在哈尔迪核磁共振成像技术的基础上，研究小组对这些异常复杂的数据进行了交互式可视化等处理，最终得到了这项新的软件工具。 　　巴尔特教授预计，这项技术可能还需要几年的时间才能在医院使用。他说：“我们现在需要验证软件程序包，也需要证明使用该技术得到的图象与现实相符。”而相应的核磁共振成像技术的扫描速度还需要进一步提高，因为1个小时的扫描时间对病人来说过长。此外，该软件工具已经被其他科学家广泛使用。

组织透明化和光片显微镜诞生的必要性生物组织的三维特性使得生命科学的研究都需基于3D空间信息而进行分析，如脑部神经投射、血管分布以及肿瘤微环境等。传统组织学检测包括对冰冻或者石蜡包埋的组织样本进行切片，从而产生微米级别的切片，研究者可以对该切片进行免疫组化染色从而获得细胞层面信息。生物学家早就认识到组织薄切片比厚组织观察起来更加容易，显微切片机将组织切割成微米厚度的二维切片，通过二维切片我们可以获得单细胞层面的信息(Richardson & Lichtman, 2015)。但是三维组织结构可以让人们全面理解器官在正常功能和病理状态下的关键信息，例如神经系统就迫切需要进行三维结构的成像，因为大多数单个神经元向许多方向延伸，它们的真实性质和功能无法通过二维切片来确定；此外，发育生物学需要在三维结构上才能更好的认识器官甚至整个动物的形态发生(Chung et al., 2013)。因此获取完整生物组织在单细胞分辨率尺度上的三维结构一直是生命科学领域的重要目标之一。怎样才能获得组织的三维层面信息？一种方法是通过将一系列连续的切片输入电脑进行三维结构重建，但是这种方法在技术上具有挑战性，因为组织在此过程会被撕裂、折叠、压缩或拉伸从而导致组织某个部分的损失或变形，由于剖面不完整，最终的体积重建可能无法还原最原始的三维结构(Oh et al., 2014)。还有一种方法是使用光学切片技术进行整体成像，比如激光共聚焦、双光子显微镜和转盘显微镜等成像显微镜的使用，这些成像显微镜可以对小组织进行三维结构成像，但是这些现代的显微技术没办法解决组织太厚带来的严重速度滞后问题，以及强激光造成的光漂白、光毒性等问题。光学成像与细胞荧光标记相结合，因其具有良好的空间分辨率和高信噪比，是收集器官或组织单细胞分辨率信息的实用方法之一。然而，组织不透明是全组织和全器官光学成像的主要障碍之一，因此要进行光学成像就要进行组织透明化。那么是什么原因导致组织不够透明？在组织中，生物物质如水、脂类、蛋白质和矿物质通常以不均匀的混合物存在，它们的不均匀分布导致光发生强烈的横向散射，此外，生物物质有时会在细胞内外形成不均匀的结构，包括脂质颗粒和细胞器（如线粒体）、大的蛋白质簇（如胶原纤维）、甚至全细胞体积（如红细胞），当光被分子、膜、细胞器和组织中的细胞反射时，本来应该以直线传播的光线会发生多次偏移，因此光不能直接穿过组织从而形成光的散射(Tuchin, 2015 Wen, Tuchin, Luo, & Zhu, 2009)。组织不透明的另一个原因是光的吸收，血红蛋白、肌红蛋白和黑色素是生物组织中吸收可见光的主要分子，血红蛋白存在于所有脊椎动物（除了鳄鱼、冰鱼）和许多无脊椎动物中，样品内的光吸收可以限制激发光进入组织和荧光发射返回到探测器(Richardson & Lichtman, 2015)。正是由于光的散射和光的吸收，导致光的分布加宽、光的强度衰减，特别是在组织的深层区域，最终导致组织不透明，无法进行全组织三维结构光学成像。因此，组织透明化的目的主要是减少光的散射和吸收，以获得更好的光学成像效果（图1）(Gracie Vargas, 2001)。图1 实现组织透明化的关键步骤 (Susaki & Ueda, 2016)当光穿过组织时，由于脂质、色素的存在，导致光发生散射和吸收，从而组织不透明；组织透明化最主要的目的是通过脱脂、脱色等步骤从而减少光的吸收和光的散射。三种组织透明化方法类型：有机溶剂型、水溶剂型、水凝胶型经科学家的不断研究和突破，多种组织透明化方法相继被提出和优化。组织透明步骤包括：①样本固定；②样本透化（依据组织特性选择脱脂、脱钙、脱色、脱水或水化）；③折射率匹配。有机溶剂型透明化方法还涉及到组织脱水过程，根据组织成像需要还要涉及到样本免疫标记(图2)(Almagro, Messal, Zaw Thin, van Rheenen, & Behrens, 2021)；为了避免组织发生形变以及检测目标丢失，在透明化之前必须进行样本固定，但是固定程度需要控制，如果固定太弱，组织会软榻，如果固定过头，会阻碍免疫标记；一般使用多聚甲醛（PFA）、戊二醛（GA）进行组织固定，PFA可以均匀的固定大于500微米直径的样品，GA比PFA固定效果好，但是速度慢（分子较大，扩散速度慢），SWITCH方法通过改变pH提高GA效率，GA一般适合固定脆弱以及蛋白表达较弱的组织；在组织切片中我们通过抗原修复减少醛固定时造成的抗原表位封闭（二硫键），在水性透明化方法SHIELD采用聚甘油-3-聚缩水甘油醚（P3PE）既能固定组织又能保存蛋白质；透化过程中用到的试剂主要有三种类型：①有机溶剂；②高水化试剂；③脱脂试剂；随后用高折射率的物质替换组织液体进行折射率匹配，实现组织透明。(Park et al., 2018)。图2 组织透明化基本流程(Almagro et al., 2021)(a) 不同来源样本获取。(b) 用不同方式（去垢剂、醇类化学试剂、电泳）增加组织通透性。(c) 组织标记（抗体、染料、凝集素）以及透明化（有机溶剂型透明化方法、水溶剂型透明化方法）。(d) 组织成像（三维数据、定量分析）。依据各透明化方法中使用的溶剂及其作用原理将现有的组织透明化方法主要分为三类：有机溶剂型、水溶剂型、水凝胶型（图3）(Matryba et al., 2020 Ueda et al., 2020b)。基于有机溶剂的组织透明化方法通过使用高折射率（RI）的有机溶剂将不同成分的RI均质，从而获得极好的组织透明度。BABB组织透明化方法可以完全透明胚胎和幼鼠大脑(Dodt et al., 2007)，但该方法中乙醇脱水作用会导致内源性GFP信号淬灭，无法透明有髓组织。通过引入四氢呋喃（THF）和二苄醚（DBE）, 3DISCO能够实现大多数成年啮齿动物器官的良好透明度，并将FPs保存几天，虽然DBE能有效保护内源荧光信号，但是DBE降解产物如过氧化氢、醛类物质会对荧光蛋白产生有害干扰(Erturk et al., 2012)。与3DISCO相比，uDISCO能够实现全身透明化和成像，并在数月内保持内源性FPs(Pan et al., 2016)。a-uDISCO是uDISCO的改良版本，通过调节pH条件提高荧光强度和稳定性(Li, Xu, Wan, Yu, & Zhu, 2018)。然而，uDISCO和a-uDISCO都不能有效的透明化高度着色的器官和硬组织。为了解决这些限制，赵瑚团队开发了聚乙二醇(PEG)相关溶剂系统(PEGASOS)，该系统可以透明所有类型的组织，同时保留内源性荧光(Jing et al., 2018)。朱丹教授团队通过温度和pH值调节开发了一种基于3DISCO，称为FDISCO，FDISCO有效的保存了FPs和化学荧光示踪剂，并允许在几个月内重复拍摄样品(Qi et al., 2019)。最近开发的sDISCO通过添加抗氧化剂稳定DBE，进一步保留了荧光信号。蛋白质也可以通过免疫标记来观察。由Renier等人开发的iDISCO可以对小鼠胚胎和成年器官进行全贴装免疫标记和体积成像(Renier et al., 2014)。vDISCO是一种基于纳米体的全身免疫标记技术。该技术将FPs的信号强度增强了100倍以上，并揭示了Thy1-GFP-M小鼠的全身神经元投射(Cai et al., 2019)。虽然有机溶剂方法表现出出色的透明性能，并实现了亚细胞分辨率的全身成像，但也存在一些不足，例如样品的大幅收缩、大多数有机溶剂的毒性和荧光蛋白的猝灭。由于油性透明化方法存在诸多缺点，水性透明化方法诞生，水性与油性透明化方法最大区别在于水性试剂具有强亲水性，更有利于荧光信号的保存，适用于自带荧光的组织样本进行透明化。水性透明化试剂主要包括：单纯浸泡透明化和高水化脱脂透明。ClearT是基于甲酰胺的浸泡型透明化方法，速度快，但是会导致组织膨胀且荧光信号会淬灭。PEG可以稳定蛋白质构象，继而发展了可保留荧光蛋白的ClearT2透明化技术，但该方法透明度比ClearT低。SeeDB技术以果糖和硫代甘油为主要成分，可以在几天内将组织透明化，但果糖粘度过高导致组织内渗透性低，在此基础上衍生出FRUIT透明化方法，尿素的使用降低了果糖粘度，提高试剂流动性和渗透性。浸泡型透明化方法不能去除脂质，因此样本透明度有限。SDS、Triton X-100可以有效去除脂质，水化法通过在透明化过程中去除脂质，利用水化作用降低样本折射率进而实现组织透明化。Scale技术利用尿素水化作用进行透明化，可保留荧光信号，但该方法操作时间较长，易导致组织破碎。CUBIC在Scale基础上添加了胺基醇，可以去除血红素使组织脱色,也可以保留荧光信号(Tian, Yang, & Li, 2021)。水凝胶解决了高浓度去垢剂导致样本形变的问题，水凝胶与样本中蛋白质和核酸分子形成共价连接便可以固定和保护细胞结构。水凝胶型组织透明化方法是一种基于水凝胶的组织透明化方法，利用丙烯酰胺凝胶将生物分子固定在它本来的位置，用水凝胶来替换组织中的脂类，让溶液中的单体进入组织，然后对其稍微加热，上述单体开始凝聚为长分子链，在组织中形成高分子网络，这一网络能够固定组织的所有结构，但不会结合脂类，随后快速将脂类抽出，便获得了完整透明的立体组织，如脑组织中的神经元、轴突、树突、突触、蛋白、核酸等都完好的维持在原位。这种独特的组织脱脂方法能够最小化结构破坏和生物分子损失。该方法的脱脂方式主要有两种：电泳和简单被动脱脂，均能有效去除脂质，从而大大提高了水凝胶组织的光学透明度和大分子通透性(Chung et al., 2013 Treweek et al., 2015)。CLARITY透明化方法利用凝胶包埋样本，并利用电场力去除脂质使样本快速透明；SHIELD通过环氧化物P3PE固定组织实现蛋白的保护，之后使用SDS进行被动或主动脱脂。水性透明化方法虽然可以部分解决荧光蛋白易淬灭的问题，但是也存在透明时间长，透明能力低的缺点，一般适用于小样本组织透明化。水凝胶透明化方法操作过程复杂，且需要一定的设备。图3 组织透明化方法的主要类型 (Ueda et al., 2020b)(A) 有机溶剂型透明化方法通过使用有机溶剂依次将组织进行脱水、脱脂、折射率匹配，在短时间内可使组织完全透明。然而，有机溶剂会快速漂白荧光蛋白的信号并且使组织皱缩。(B) 水溶剂型透明化方法以水溶性试剂对组织依次进行脱色、脱脂、折射率匹配，从而使组织完全透明。该方法具有更高的生物安全性和兼容性。(C) 水凝胶型透明化方法通过凝胶将生物分子固定在原来的位置，随后对组织进行脱色、脱脂、折射率匹配操作，从而使组织透明。基于水凝胶的方法可以保留足够的RNA用于分析，如荧光原位杂交；由于水凝胶网会固定组织，因此会使组织体积扩大几倍。组织透明化方法的选择（对于不同检测目标、不同组织、含有特定化学成分的组织选择的组织透明化方法以及试剂不同）组织透明化从2014年兴起以来，前期主要在神经科学领域广泛应用，随着透明化方法的不断改进，目前在发育生物学、免疫学、肿瘤学研究中也被广泛应用。检测目标不同，透明化方法中的试剂选择不同，水凝胶适用于不稳定分子如RNA的保存，CLARITY方法中用到的化学试剂单丙烯酰胺或双丙烯酰胺对细胞内部结构进行很好的固定，使得在后期脱脂等处理后组织内部结构依然保持；常用的样本固定试剂是甲醇，在使用过程中可以较好的固定蛋白质（表1）(Almagro et al., 2021)。表1 不同试剂适用于不同检测目标(Almagro et al., 2021)水性试剂蔗糖和尿素对内源性荧光试剂、脂类试剂比较友好；而有机溶剂苄醇-苯甲酸苄酯(BABB)会造成脂质洗脱和蛋白质荧光基团淬灭，所以不能用于脂肪组织的检测；聚乙二醇(PEG)是有机溶剂型透明化方法PEGASOS中用到的试剂，可以有效保护内源性荧光；此外在有机溶剂型透明化方法中可以通过调节pH、温度达到保护荧光的效果，如FDISCO在四氢呋喃(THF)中，维持碱性pH和低温下，EGFP荧光信号可以维持数月（表2）。此外，免疫标记中使用的小分子染料（如细胞核染料DAPI、碘化丙啶、RedDot和SYTO）、凝集素、抗体对目标进行标记，其中抗体被动扩散速度非常慢，免疫染色可以通过优化抗体浓度、温度、孵育时间等提高染色效率；我们也可以通过减小样品体积、用小分子荧光染料代替抗体增强染色效果。也可以通过改变荧光标记的亲和属性如SWITICH方法，让它们在组织中自由扩散再进行结合；通过电泳的方式也可以提高染色效率(Almagro et al., 2021)。 表2不同试剂对于荧光信号的保留(Almagro et al., 2021)此外，某些组织中含有较难去除的成分如色素、脂肪，其中血红素是组织中较难去除的色素，仅仅通过灌注PBS不足以去除肾脏、心脏、肌肉、肝脏中的血红素，可以选择含有漂白剂成分的试剂进行脱色如双氧水，并且能去除自发荧光，但是过氧化物处理会损伤目标荧光蛋白，所以荧光标记一般在漂白之后进行；前列腺和乳腺富含脂肪，会阻碍抗体进入、光线穿透，可以选择含有去垢剂成分的组合如TritonX-100、SDS、CHAPS等进行脱脂，去污剂可以破坏脂质双层使组织形成可以运输出组织的胶束，SHANEL方法中的CHAPS能生成较小的胶束，能更快的从组织中析出，具有有效的去脂效果。当组织较大时，被动去脂速度就比较慢，这时可以通过电泳的方式加快进程；电泳组织透明设备（ETC）和随机电子迁移（使用旋转电场或在单向电场内旋转样品）可以加速去脂。其它类型组织如硬组织骨骼，其中含有的钙化矿物质阻碍光的穿透，50%-70%的骨骼由遍布蛋白基质的钙化羟基磷灰石（HAP）晶体组成，这时可以选择含有钙螯合剂组合的方法如乙二胺四乙酸（EDTA）中性缓冲液，进行脱钙处理（表3）(Almagro et al., 2021)。表3不同试剂对于细胞组分去除(Almagro et al.,2021)组织透明化方法的应用范围不同组织在透明化方法的选择上都有所不同，根据组织成分、检测目标、组织类型选择不同的透明化方法，下表是不同透明化方法在不同健康以及肿瘤组织上的应用实例，对于组织在选择方法的时候可以借鉴这些实例，从而更好的避开长时间的摸索（表4）。表4 不同透明化方法应用到不同肿瘤组织举例(Almagro et al., 2021)此外，利用组织透明化方法可以实现人类器官三维成像（图4）(Ueda et al., 2020a)。图4 人类胚胎组织以及器官透明化三维结构图(Ueda et al., 2020a)(a) 胚胎周围神经三维图像。(b) 泌尿系统中的肾脏和Wolffian管。(c) 胚胎背部、手臂、头部肌肉。(d)手部脉管系统。(e)手部三种感觉神经。(f)肺上皮小管。参考文献Almagro, J., Messal, H. A., Zaw Thin, M., van Rheenen, J., & Behrens, A. (2021). Tissue clearing to examine tumour complexity in three dimensions. Nat Rev Cancer, 21(11), 718-730. doi:10.1038/s41568-021-00382-wCai, R., Pan, C., Ghasemigharagoz, A., Todorov, M. I., Forstera, B., Zhao, S., . . . Erturk, A. (2019). Panoptic imaging of transparent mice reveals whole-body neuronal projections and skull-meninges connections. Nat Neurosci, 22(2), 317-327. doi:10.1038/s41593-018-0301-3Chung, K., Wallace, J., Kim, S. Y., Kalyanasundaram, S., Andalman, A. S., Davidson, T. J., . . . Deisseroth, K. (2013). Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature, 497(7449), 332-+.Dodt, H. U., Leischner, U., Schierloh, A., Jahrling, N., Mauch, C. P., Deininger, K., . . . Becker, K. (2007). Ultramicroscopy: three-dimensional visualization of neuronal networks in the whole mouse brain. Nat Methods, 4(4), 331-336. doi:10.1038/nmeth1036Erturk, A., Becker, K., Jahrling, N., Mauch, C. P., Hojer, C. 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(2014). iDISCO: a simple, rapid method to immunolabel large tissue samples for volume imaging. Cell, 159(4), 896-910. doi:10.1016/j.cell.2014.10.010Richardson, D. S., & Lichtman, J. W. (2015). Clarifying Tissue Clearing. Cell, 162(2), 246-257. doi:10.1016/j.cell.2015.06.067Susaki, E. A., & Ueda, H. R. (2016). Whole-body and Whole-Organ Clearing and Imaging Techniques with Single-Cell Resolution: Toward Organism-Level Systems Biology in Mammals. Cell Chem Biol, 23(1), 137-157. doi:1

斑马鱼是生命科学研究中最常用的模式生物之一，在再生生物学、发育生物学、免疫学、神经生物学以及疾病模型药物筛选中被广泛应用。由于其具有体型小、生命周期短、饲养环境简单和成本低等特点，在大规模遗传发育研究和药物筛选方面具有明显优势。然而，目前实际开展科学研究过程中主要以手工分拣筛选和利用传统显微镜进行局部成像为主，其工作量大但数据采集效率低下，无法有效发挥微小模式动物的自身优势，无法实现大规模分析，不能适应中大规模遗传／药物筛选需求。斑马鱼胚胎同时具有通体透明的特点，非常适合于光学显微镜下的活体观测。光片显微技术（Light-sheet microscopy）是一种新型的三维成像方式，其具有光毒性小、扫描速度快等特点。然而针对毫米级的模式生物如斑马鱼、线虫等，光片成像需要复杂的样品准备流程，并且由于视场限制，获得全胚胎的三维数据往往需要多区域成像与拼接，一条受精后3天左右的斑马鱼整个三维成像大约需要15分钟左右，这严重限制了该技术的成像通量。针对这一制约生命科学研究的瓶颈问题，中科院苏州医工所李辉课题组与中科院营养健康所潘巍峻课题组展开合作，提出了基于流式光片的高通量显微成像技术LS-FIS（light-sheet flow imaging system）。LS-FIS创新性地将流式成像技术与光片照明技术相结合，通过设计液流与光学耦合系统，结合精密的进取样控制时序与三维重建算法，实现了200 胚胎/小时的高通量三维成像。利用该技术，研究人员进行了斑马鱼躯干及头部血管发育研究，统计并分析了受精后3到9天的斑马鱼节间血管三维长度及眼部晶状体血管网形态变化。实验共获得超过500条全胚胎斑马鱼三维图像，典型成像结果如图1所示。这是目前已知首次报道的大规模全鱼三维成像数据。相关结果发表于Biomedical Optics Express上（V13（2022），pp. 5344-5357）。论文第一作者为杨光助理研究员，通讯作者为李辉研究员。论文链接：https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-13-10-5344&id=502612 图1. 高通量三维成像系统LS-FIS的原理图（左）和针对上百条斑马鱼3-9天血管发育过程的统计研究该团队研发的高通量三维成像系统LS-FIS样机已经多次迭代验证，设计了合理的光机系统结构和外观，开发了简洁易用的软件界面。样机在中科院营养健康所和神经所试用，已具有较好的稳定性和可靠性，并在2021年全国斑马鱼大会上展出，受到了广泛关注。图2 高通量三维成像系统LS-FIS实物样机（上）和在2021年全国斑马鱼大会上展出（下）。该团队进一步开发了相关的图像分析处理算法来应对LS-FIS拍摄到的大量三维图像数据自动化分析处理的需求。针对斑马鱼节间血管，提出了一种多尺度特征的三维卷积神经网络（MS-3D U-Net），通过多尺度特征学习和基于硬注意力机制的损失函数，实现了对三维图像的血管分割和识别，识别准确度达到90%以上（AUC值）。基于MS-3D U-Net，对24小时连续观测的斑马鱼胚胎三维图像数据进行自动分割处理和测量，绘制了节间血管和背侧纵向吻合血管的发育曲线。相关文章发表在Biomedical Optics Express 上（V 13（2022），pp. 2896-2908）。论文第一作者为硕士生殷静怡，通讯作者为王林波助理研究员。论文链接：https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-13-5-2896&id=471611 本工作得到中国科学院仪器装备研制，国家自然科学基金，苏州市高新区领军人才等项目的支持。

仪器信息网讯 当地时间2016年3月5日，仪器信息网工作人员参观拜访了PerkinElmer位于美国波士顿霍普金顿的生命科学技术研发中心。2011年PerkinElmer收购了专注于生命科学研究、成像和检测服务的Caliper Life Sciences公司。此次拜访的生命科学技术研发中心即原Caliper产品研发中心及其相应产品工厂。目前该基地约有300名员工，注重研发和生产在生物治疗、成像和病理学、生物标志物和基因组学分析方面的新产品和应用技术。　　收购Caliper之后，小动物活体成像业务给PerkinElmer带来了可观的收入以及广阔的市场。用PerkinElmer人类健康高级副总裁Jim Corbett的话说，“在小动物活体成像领域，PerkinElmer是当之无愧的最强大的仪器技术供应商。”其临床前成像Spectrum CT在同类市场占有率中排名第一。　　小动物活体成像实验室和畅销的Spectrum CT　　据PerkinElmer数据，去年Spectrum CT销售情况非常好，达到了两位数增长。“这对于一个已经相对成熟的市场来说，是非常了不起的数字。”Jim说。目前，中国的医药研发从事转化研究的科研实验室是Spectrum CT产品的重要用户，“真实三维成像对新药研发的临床前动物研究非常有帮助。随着制药产业在中国的发展，新药研发的药企也将需要我们的产品。”　　以Spectrum CT为代表的小动物成像产品可以区分受试动物自身荧光与病理荧光，不仅能做动物荧光还可以做化学发光。PerkinElmer同样生产此类仪器使用的配套试剂。　　SOLARIS开放式荧光成像系统　　PerkinElmer SOLARIS开放式荧光成像是一款实时手术监测系统。在参观中，我们见到了这台尖端的仪器。它能在实施切除手术中使用大动物。除了为新药研发的转化过程提供支持还能够为真正人类临床做科研准备。　　位于PerkinElmer这个厂区的研发中心包括生物化学实验室、化学实验室和细胞培养实验室等。走廊里的宣传板也给我们传递研发新技术的相关信息。如PerkinElmer研发了AlphaLISA技术，此技术比ELISA用时短，仅需2.5小时，能够测定皮克级的微小物质并保持较高的精度确度。适合用于制药、农业等很多领域。仅2014年就研发了160余种该类型的试剂盒新产品。　　多光谱显微镜　　除了动物成像产品，研发实验室还有多光谱显微镜、智能型液体处理工作站、微流控生物大分子分析仪等生命科学研究专用仪器。这里所有的仪器都用于临床前研究，包括药物进入人体临床研究之前所进行的药效学、药动学和毒理学研究以及诊断学临床前研究。通过研究和证明药物和诊断方法的有效性和安全性，将新生命科学新技术推向真正的人类健康诊疗。编辑：郭浩楠

8月24日，清华大学公开招标购买1套单光子自适应高速三维显微成像系统，预算330万元，仅限国产。　　项目编号：清设招第2021172号　　项目名称：单光子自适应高速三维显微成像系统　　预算金额：330.0000000 万元(人民币)　　采购需求：包号名称数量是否允许进口产品投标采购预算（人民币）01单光子自适应高速三维显微成像系统1套否330万元　　设备用途介绍：实验需要对在体活细胞进行清晰地大范围亚细胞结构动力学过程观测，比如细胞器间的相互作用、胚胎发育过程、神经响应等等，必须能够高速获取大范围的三维荧光信号。　　单光子自适应高速三维显微成像系统的成像方式极大的提高了成像速度及有效的解决了系统及样品的像差问题，同时大大降低了激光对样品的损伤，能够实现更长时间的活体观察，其图片能观察细微的差别，分辨亚细胞水平动力学及结构，成像质量非常高。　　简要技术指标 ：　　1)基本配置：系统由以下主要模块组成　　倒置荧光显微镜 　　多波段激光器 　　数据采集系统 　　图像处理系统。　　2)技术要求：　　系统分辨率：XY小于250nm，Z小于400nm 　　图像采集系统：支持活体哺乳动物三维图像采集 　　图像处理系统：专业处理器i9 10920，内存不小于128GB，固态硬盘不小于10T，显卡Nvidia RTX2080TI。　　合同履行期限：交货时间：合同签订后5个月内　　本项目( 不接受 )联合体投标。 开标时间：2021年09月14日 09点00分(北京时间)

p style=" text-align: justify " 　　1999年，美国哈佛大学Weissleder等人提出了分子影像学(molecular imaging)的概念——应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究 ，为疾病生物学、疾病早期检测、定性、评估和治疗带来了重大的影响。以此为基础发展起来的小动物活体成像技术，可广泛应用于癌症与抗癌药物研究、免疫学与干细胞研究、细胞凋零、病理机制及病毒研究、基因表达和蛋白质之间相互作用、转基因动物模型构建、药效评估、药物甄选与预临床检验、药物配方与剂量管理、肿瘤学应用、生物光子学检测、食品监督与环境监督等诸多方面。 br/ /p p style=" text-align: justify " 　　生命科学研究领域常用的小动物成像设备如：核磁共振成像MRI、计算机断层成像CT、计算机X线成像PET、单光子发射断层扫描SPET和光学成像仪器设备等，为该领域研究提供了各种成像方式。仪器信息网编辑盘点了市面上主流厂商的小动物活体成像仪，供广大生命科学领域用户参考。（排名不分先后） /p p style=" text-align: justify " span style=" color: rgb(192, 0, 0) " 　　 strong 1、布鲁克BioSpec 3T MRI/MRS 小动物活体成像仪 /strong /span /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/e3830a5c-cc5f-4122-a71f-690254f724d7.jpg" title=" image001.jpg" alt=" image001.jpg" / span style=" color: rgb(192, 0, 0) " /span /p p style=" text-align: justify " 　　专为大小鼠研究设计的BioSpec 3T采用了布鲁克最新MRI技术和软件应用包,可以提供多模态成像选项。场强为3特斯拉,拓展了多功能临床前MRI 和 MRS(局部频谱学) 系统的应用范围。值得一提的是，该仪器采用无制冷剂的设计，摆脱了对液氦或液氮的需要，在断电时拥有长达四小时的磁体保持时间。与此同时，紧凑、易于安装的BioSpec 3T填补了偏重于解剖结构成像的1特斯拉磁体和适用于尖端科研的高场MRI之间的空白。BioSpec 3T与PET等其他成像技术完全兼容, 利于实验室扩展使用更广泛的成像研究方案。 /p p style=" text-align: justify " 　　 a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C251642.htm" target=" _blank" style=" text-decoration: underline color: rgb(0, 112, 192) " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看该仪器更多相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 2.珀金埃尔默 IVIS Spectrum CT 小动物活体三维多模式成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0792bc90-1a0a-49e8-8e23-f8c6094638a1.jpg" title=" image002.jpg" alt=" image002.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　珀金埃尔默IVIS Spectrum CT集光学和microCT成像于一体,同时具备荧光和生物发光3D断层成像功能， 其特有的动物体表扫描技术能够获取真实的动物体表拓扑结构。此外，直观的软件操作界面和成像设置向导使操作流程变得十分简便。该仪器可实现生物发光成像、多光谱荧光和光谱分离成像、基于Cerenkov辐射原理的放射性核素成像、快速低辐射microCT成像和DyCE& #8482 动态对比度增强成像等。 /p p style=" text-align: justify " 　　 a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C168443.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看该仪器更多相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 3.德国耶拿UVP iBox& reg Scientia& #8482 小动物活体成像仪 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/678fa54e-fdb5-4557-b7a9-014aed7949fa.jpg" title=" image003.jpg" alt=" image003.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　德国耶拿在11月慕尼黑生化展上发布的UVP iBox& reg Scientia& #8482 小动物活体成像仪，具有如下特点：非侵入性的快速观察活体荧光信号和生物发光信号 包括GFP/RFP在内的21种滤光片可供选择，更换方便，保证在全光谱范围内(可见光，近红外)都能准确成像 超冷CCD和大光圈定焦镜头，即使在目标信号较弱时也能拍出清晰的画面 配备的温控板可以让小鼠保持正常生理体温，确保小鼠成像时结果的准确性 软件使用方便，对于需要多次成像的试验，可通过预设模板的方法进行一键成像 在线麻醉系统可以实现在线麻醉，防止体外麻醉对小鼠带来损伤 一次可同时进行多达5只小鼠的成像。该产品可广泛应用于癌症与抗癌药物研究等方面。 /p p style=" text-align: justify " 　　 a href=" https://www.instrument.com.cn/news/20181031/474332.shtml" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看该仪器更多相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　 strong 　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " 4. 纽迈科技Macro MR12大口径核磁共振分析与成像系统 /span /strong /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/dd0770f7-3ca0-4aa5-9c99-4681328b21ad.jpg" title=" image004.jpg" alt=" image004.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　Macro MR12是纽迈公司推出的大口径核磁分析与成像系统，集分析和成像于一体，整体具备C型大空腔磁体与推拉式进样设计，方便小动物的实验操作,能满足不同尺寸样品的测试需求。同时该产品采用了稀土钕铁硼材料永磁体，配套最新一代全数字化谱仪，在提高样品图像的分辨率的同时，保证其稳定性。MacroMR12可用于多组造影剂成像及弛豫率的分析，也可用于生命科学领域的活体动物临床前研究(如大鼠、小兔子、小狗和小猫等)。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C166284.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看该仪器更多相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 5. 寰彤1.5T小动物核磁共振成像仪 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0fa84b05-ead1-4cf5-b29b-37a2a4260741.jpg" title=" image005.jpg" alt=" image005.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　寰彤小动物核磁共振成像仪在核磁共振影像实验中可实现四维(分子影像)核磁共振谱成像，三维空间成像，也可实现对小鼠，小动植物体等样品的三维、二维核磁共振成像实验。特点是在实验样品弛豫时间测量的同时，对实验样品图像可进行多角度观察、任意角度保存。产品具有三维成像数据采集和图像反演三维立体重建(伪彩色图像重建)的功能，广泛应用于生命科学、医学影像、生物医药和医药临床前预实验等科研工作。 /p p style=" text-align: justify " 　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 　 /span a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C249992.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看更多该仪器相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 6.Thmorgan小动物活体成像系统 SPECT/PET/CT /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/abc3497a-adfa-44b6-86b2-88b1f77fd7dd.jpg" title=" image006.jpg" alt=" image006.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　Thmorgan小动物活体成像系统融合了PET、SPECT、CT成像技术。三种成像模式的结合使其具备低剂量、超高分辨率的CT成像功能和SPECT、PET同时高分辨率成像功能，此外该仪器能实现高能量同位素亚毫米成像能力(如：& lt 0.5 mm 131I，& lt 0.6 mm 67Ga，& lt 0.7 mm213Bi)。其扫描速度较以往产品有明显提升，其SPECT/PET器官扫描小于1s，全身扫描小于8s而CT全身扫描小于5s。Thmorgan小动物活体成像系统SPECT/PET/CT主要应用范围有：小动物活体成像及精确定量研究、药学研究(药代动力学、药效学、药物的吸收分布代谢及排泄等)、蛋白质及基因表达研究、肿瘤学研究、新型材料和示踪剂的靶向性研究等。 /p p style=" text-align: justify " 　　 a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C247319.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看该仪器更多相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 7.美谷分子MIIS 小动物活体成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/a370b19e-8bb7-40cf-8725-7db29b3264df.jpg" title=" image007.jpg" alt=" image007.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　美谷分子MIIS小动物活体成像系统可帮助用户完成那些需要从小动物或植物中检测微弱荧光和发光信号的研究应用。该仪器配备图像获取和分析软件MetaMorph-MIIS，其特殊之处在于可控制 Z 轴定位，滤光片转轮和光源，并且还能获取时间序列和进行高速成像。深度制冷 CCD 和高性能 sCMOS 照相机作为检测器，辅以高亮度 LED 来检测荧光信号，不仅具有高灵敏度，避免紫外波段常见的光毒性，也提供了极高的稳定性。此外，该仪器具备高度扩展性，可以在暗箱内安装多种可选模块如小动物应用中的热板、电动载物台来支持多种视野成像和聚焦功能, 以及对应小动物麻醉气模块。这一系列的特点均为获取高质量活体成像图片提供了保障。 /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C229476.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " 点击查看更多该仪器相关信息 /a /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 8. MOLECUBES小动物PET/SPECT/CT成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/410ac4a6-518a-4057-83ee-78bcbb9ee922.jpg" title=" image009.jpg" alt=" image009.jpg" / /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " MO /span span style=" text-indent: 2em " LECUBES小动物PET/SPECT/CT成像系统可应用于生物医药学实验室的肿瘤显像、受体显像、代谢显像、基因表达显像和药物研究等。MOLECUBES台式仪器的所有软、硬部件均为自主研发，其设计紧凑、操作方便，在高通量下依然能够保证运行正常，最高通量可满足4只小鼠或1只大鼠的高分辨率全身成像效果。该系列产品可通过组合实现单模式成像（PET/CT/SPECT）、双模式成像（PET-CT/SPECT-CT）和三模式成像（PET-SPECT-CT/PET-PET-CT/PET-CT-CT/SPECT-CT-CT）。 /span /p p style=" text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C276532.htm" target=" _blank" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看更多该仪器相关信息 /span /a /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 9.奥龙Micro Focus小动物活体成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/7bf52e2b-a658-4d29-a1f9-e68040e550ce.jpg" title=" image010.png" alt=" image010.png" / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 承担过多个国家科学仪器重大专项的丹东奥龙，主要以X射线产品为主，而旗下Micro Focus小动物活体成像系统主要用于小动物X射线成像，是一款微焦点（Micro Focus）成像系统，可实现一键自动曝光并配备图片处理工作站。该仪器操作简单且安全，因此无需专业的X射线操作知识，也无额外的X射线防护要求。 /span /p p style=" text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C242286.htm" target=" _blank" span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看更多该仪器相关信息 /span /a /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 10.博鹭腾AniView 100动物活体成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/f044ae2e-f66d-4bbf-b2ae-088563f98cf3.jpg" title=" image011.jpg" alt=" image011.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 作为博鹭腾今年新上市的产品，AniView100动物活体成像系统可用于测量各种癌症模型中肿瘤的生长和转移，能够无创伤定量检测原位瘤、转移瘤及自发瘤。该系统最大可实现6只小鼠或1只兔子同时成像，并且内置动物温控床、X-ray动物结构成像系统、气体麻醉模块，可根据实验需求快速选用相应系统。 /span br/ /p p style=" text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C308896.htm" target=" _blank" span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看更多该仪器相关信息 /span /a /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 11.INDEC BiosystemsFluor Vivo荧光小动物活体成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/cb8481f4-462e-474e-8456-4b904f5c38d6.jpg" title=" image012.png" alt=" image012.png" / /p p style=" text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " INDEC Biosystems荧光小动物活体成像系统Fluor Vivo系列可提供一套从个体水平到细胞水平的体内成像的解决方案。其技术优势主要有：可为用户定制全波长范围内通道，可实现GFP和RFP同时成像，并进行实时光谱分离，去除背景荧光，有效提升信噪比。此外还具备毫秒级快速成像，实时动态监测，可保留成像视频。 /span /p p style=" text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/netshow/C208676.htm" target=" _blank" span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 点击查看更多该仪器相关信息 /span /a /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(192, 0, 0) " strong 12.英国 MR Solution小动物核磁成像系统 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/47a47401-01d7-46e5-ae6d-d85020cc2337.jpg" title=" image008.jpg" alt=" image008.jpg" / /p p style=" text-align: justify " 　　英国MR Solution 公司针对临床前小动物 MR 核磁成像市场，从 2012 年起陆续推出采用无液态制冷剂超导技术、场强可调的临床前1.5T、3.0T、4.7T 及 7.0 T 的小动物 MR 成像系统。其创新高性能超导磁体不需液态氮或液态氦制冷，1.5T、3.0T、4.7T 及 7.0T 场强可选磁场均匀度，稳定性强，可调整场强。该产品可实现获取高分辨率、高信噪比及极佳的软组织对比度的图片，其专为小动物实验设计的通用动物造影床可与多种成像系统相容。MR Solution小动物核磁成像系统可广泛适用于各系统脏器的成像与多序列多参数应用平台，符合科研上的需求。 /p p style=" text-align: justify " 　　 span style=" color: rgb(0, 0, 0) " strong 小结 /strong ：本文盘点的八款仪器中具备单模式成像功能的产品有：布鲁克BioSpec 3T MRI/MRS、德国耶拿UVP iBox& reg Scientia& #8482 、纽迈科技Macro MR12、寰彤1.5T小动物核磁共振成像仪、美谷分子MIIS小动物活体成像仪和英国 MR Solution小动物核磁成像系统等 其中也不乏有多模式成像相结合的产品如珀金埃尔默IVIS Spectrum CT(集光学和microCT成像于一体)、Thmorgan小动物活体成像系统( SPECT、PET与CT三模式结合)等。目前单模式成像产品依旧是市场主流，但多种成像手段相结合的多模式成像研究已成为科研领域热点，因此具备多模式成像功能(或具备高扩展性)的活体成像仪器设备将是未来发展趋势。 /span /p

近期政策利好消息推动国内高校、科研院所纷纷启动仪器设备采购工作。自国庆假期结束后，清华大学、北京大学等22所国内高校分别发布了科学仪器采购意向，据仪器信息网最新统计(截止时间2022年10月31日)，总意向金额累计超过180亿元，高校科学仪器市场迎来又一波采购热潮。近年来，动物成像技术在生命科学、医药研究中发挥着越来越重要的作用，涌现出各种动物活体成像系统，为科学研究提供了强有力的工具。截至10月31日，北大、复旦等16所高校发布了动物活体成像系统的采购意向，总意向金额累计超过4亿元。兰州大学以采购总预算13001万元位居高校榜首，意向采购数量高达18套（台）。其次是北京化工大学，采购总预算达7365万元。排名第三的是中山大学，采购总预算达3940万元。另外，中南大学于10月16日发布了中南大学湘雅医学院动物实验平台采购项目，预算金额为11216万元，包含3套动物活体成像系统、2套超高频高分辨率小动物超声成像系统、1套小动物三维活体成像以及1套小动物Micro CT活体成像系统。16所高校意向采购动物活体成像系统项目详情如下：序号采购项目名称采购需求概况预算金额(万元)兰州大学1第一第二临床医学院西部高发肿瘤诊疗创新平台建设项目-小动物PET/MRI 成像仪项目详情 32002医学实验中心9.4T小动物PET/MRI采购项目项目详情 31003医学实验中心高分辨率小动物超声光声多模式成像采购项目项目详情 7634第一第二临床医学院西部高发肿瘤诊疗创新平台建设项目-小动物PET/CT成像仪项目详情 7365医学实验中心小动物PET成像系统采购项目项目详情 7346医学实验中心小动物光声成像采购项目项目详情 6707化学化工学院小动物活体成像系统采购项目项目详情 6008超高频高分辨率小动物超声成像系统采购项目项目详情 4509兰大二院超高频高分辨率小动物超声成像系统采购项目项目详情 45010医学实验中心小动物超声采购项目项目详情 45011公共卫生学院+重金属暴露与健康效应研究-IVIS Spectrum 小动物活体成像系统项目详情 38012医学实验中心宽光谱小动物活体成像系统采购项目项目详情 36013小动物活体成像系统采购项目项目详情 20014基础医学院小动物超声成像设备采购项目项目详情 20015兰大二院小动物活体成像系统采购项目项目详情 20016医学实验中心大动物CT采购项目项目详情 20017药学院高通量高灵敏小动物活体成像仪采购项目项目详情 18018基础医学院小动物视网膜成像系统设备采购项目项目详情 128共计13001中南大学1中南大学湘雅医学院动物实验平台采购项目(动物活体成像系统3套)项目详情 112162中南大学高等研究中心小动物活体三维多模式成像系统（三维光学成像和micro CT一体机）采购项目项目详情 650共计11866北京化工大学1分析测试中心小动物磁共振成像系统项目详情 14602科学技术发展研究院小动物磁共振成像系统项目详情 14603生命学院小动物磁共振成像仪项目详情 12004高分辨率小动物光声超声多模成像系统项目详情 6905低剂量小动物活体CT成像项目详情 5206全波长激光-小动物声学成像系统项目详情 5157超高频高分辨率小动物超声成像系统项目详情 4608小动物活体原位（In Vivo)细胞成像系统项目详情 4309小动物光学活体成像（二区）项目详情 21010动物磁粒子成像系统项目详情 21011近红外二区小动物活体成像系统项目详情 210共计7365中山大学1多模式小动物光声成像系统项目详情 7002化学学院小动物超声&光声二合一成像系统采购项目项目详情 6603超高分辨率小动物超声实时影像系统项目详情 5504化学学院单/双光子多模态小动物活体成像仪采购项目项目详情4505小动物活体三维断层扫描成像系统项目详情 4206小动物活体Micro-CT成像系统项目详情 4007近红外一区&近红外二区小动物全身3D光声成像系统项目详情 3608小动物活体成像(深圳校区)项目详情 2009小动物活体成像系统项目详情 200共计3940华南理工大学1自旋科技研究院购置小动物核磁共振成像设备项目项目详情 12002三维小动物活体成像系统和小动物活体MicroCT系统项目详情 6603小动物活体成像仪项目详情 3504自旋科技研究院购置小动物近红外荧光活体成像设备项目项目详情 3005近红外全景小动物活体荧光成像系统项目详情 2206小动物彩色多普勒超声成像系统项目详情 220共计2950复旦大学1小动物高场磁共振成像系统项目详情 18002小动物活体成像仪项目详情 550共计2350中国医药大学1中国药科大学小动物PET/CT项目项目详情 10002中国药科大学小动物活体光声超声多模成像系统项目项目详情 9003中国药科大学跨尺度NIR-II高分辨小动物活体成像系统项目项目详情 3004中国药科大学小动物成像系统（镜头）项目项目详情 100共计2300四川大学1高分辨活体小动物X射线断层扫描系统 In-vivo Micro CT for small animal项目详情 4502小动物活体Micro CT成像仪项目详情 3503小动物活体成像系统项目详情 3204近红外二区小动物活体成像系统项目详情 1955小动物活体成像系统项目详情 180共计1495吉林大学1三维小动物光学活体成像系统项目详情 4502小动物活体Micro-CT成像系统项目详情 4003全光谱跨尺度小动物活体成像系统项目详情 2804小动物活体光学成像系统项目详情 246共计1376北京大学1北京大学医学部小动物超光声多模态成像系统采购项目项目详情 6502小动物四模态（PET/SPECT/CT/FMT）成像系统电子模块加工集成项目详情 415共计1065华中科技大学1小动物Micro-CT成像系统项目详情 3202小动物三维活体光学成像系统项目详情 330共计650南京农业大学1小动物活体三维多模式成像系统项目详情 650山东大学1活体成像系统项目详情 480浙江大学1小动物活体成像系统项目详情 170北京师范大学1近红外二区小动物荧光活体成像系统项目详情 170东北师范大学1小动物核磁共振检测系统项目详情 170相关推荐：1.近期高校采购意向汇总：40台套分子互作分析仪，总额超1.3亿元 (点击查看)2.仅18天超2.4亿流式细胞仪采购招标！近期高校采购计划汇总 (点击查看)

p 　　 strong 仪器信息网讯 /strong 2020年1月16日，《Science》杂志刊登了美国科学家David Hoffman和Gleb Shtengel在Hess和加州大学伯克利分校高级研究员Eric Betzig的指导下的一项关于融合超分辨率荧光和电子显微镜技术的显微表征新技术成果，该技术称为cryo-SR / EM，结合使用超低温超高分辨率荧光显微镜和聚焦离子束铣削扫描电子显微镜，可以在整个细胞的三个维度上可视化蛋白质-超结构关系。凭借其重要性，该研究也荣登本期《科学》杂志封面。 /p p style=" text-indent: 2em " span style=" color: rgb(112, 48, 160) " Eric Betzig同时也是该文章的通讯作者，Eric Betzig何许人也？他正是2014 年诺贝尔化学奖得主，获奖理由是实现了单分子水平的超高分辨率荧光显微技术。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 159px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/5b338d9a-b6c7-40e6-b266-e27727951cdd.jpg" title=" 0.png" alt=" 0.png" width=" 500" height=" 159" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/de61b3cc-2d43-4121-bbff-f6911b77bfd0.jpg" title=" 01.png" alt=" 01.png" / /p p 　　封面为哺乳动物小脑颗粒神经元的半透明彩色核，这张3D效果图展示了由电子显微镜(EM)和低温超分辨率荧光显微镜所成像的组蛋白重叠所定义的特异性异染色质亚区类型。围绕细胞核的半透明薄壳代表核膜，而3D渲染的电镜数据(灰色)薄片则穿过细胞核。右下角的圆圈是线粒体的剖视图。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/noimg/775b649e-a426-4670-8069-b079cce58d46.gif" title=" zooming_into_cell_2~2.gif" alt=" zooming_into_cell_2~2.gif" / /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 一种新的显微镜技术将电子显微镜和光学显微镜相结合，以生成细致的三维细胞图像，如图所示。 span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 图片来源：D. Hoffman et al./Science 2020 /span /span /p p 　　有触须的的囊泡在很小的空间内穿梭负责将“货物”进行分类，相邻的神经元通过类似网络的界面相互依附。随着干细胞分化成神经元，DNA在核内重新排列。而一项新的显微镜技术可以将所有这些细节展现得淋漓尽致。 /p p 　　这项技术被称为cryo-SR/EM，它将电子显微镜和超分辨率光学显微镜捕捉到的图像融合在一起，以3D的形式呈现出细胞内部明亮、清晰、详细的图像。 /p p 　　 strong 技术背景 /strong /p p 　　多年来，科学家一直在探索细胞内部的微观世界，开发新的工具来观察这些基本的生命单位。但是每种工具都需要综合权衡。光学显微镜可以通过荧光分子标记特定细胞结构能够轻松识别，随着超分辨(SR)荧光显微镜的发展，可以更加清晰的观察这些结构。但是，在一个给定的时间内，荧光只能揭示细胞中10000多种蛋白质中的一小部分，因此很难理解这几种蛋白质与其他物质之间的关系。另一方面，电子显微镜(EM)可以在高分辨率的图片中显示出所有的细胞结构——但是仅仅通过EM来描述一个特征与其他特征是很困难的，因为细胞内部的空间是如此的拥挤。 /p p 　　霍华德· 休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区的高级负责人Harald Hess说，“将这两种技术结合在一起，可以使科学家清楚地了解特定细胞特征如何与其周围环境相关联，这是一种非常强大的方法。” /p p 　　Janelia科学家David Hoffman和高级科学家Gleb Shtengel在Hess和加利福尼亚大学伯克利分校HHMI研究人员Eric Betzig的高级研究员Eric Betzig的带领下率先开展了该项目。 /p p 　　首先，科学家在高压下冷冻细胞。这样可以迅速停止细胞的活动，防止冰晶的形成，而冰晶会破坏细胞并破坏成像的结构。接下来，研究人员将样品置于低温室中，在绝对零度以上10度的温度下，用超分辨率荧光显微镜对样品进行三维成像。然后，它们被移除，嵌入树脂中，并在Hess实验室开发的强大电子显微镜中成像，该显微镜向细胞表面发射一束离子，一点一点地研磨，同时为每一层新暴露的细胞拍照。然后，计算机程序将这些图像拼接成三维重构的图像。 /p p 　　最后，研究人员叠加了两个显微镜的三维图像数据。结果：令人震惊的图像以惊人的清晰度揭示了细胞的内部细节。 /p p 　　下面，此图像的一些示例说明了科学家如何使用该技术。 “已经引起了很多兴趣，” Hess说， “还有很多实验要做——整个世界的细胞都需要研究。” /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202001/uepic/850d6bc4-7e47-419b-8a2f-fb37e009dc71.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" / /p p 　　 strong 全细胞相关成像 /strong 。高压冷冻细胞的低温超高分辨率荧光显微镜与聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)结合使用，可以在全局超微结构背景下对蛋白质进行多色三维纳米可视化。 从左上方顺时针方向：体积渲染的细胞，具有线粒体和内质网(ER)蛋白相关的正交排列(插图) 形态各异的溶酶体区室 由转录活性的蛋白质报道分子定义的异染色质亚结构域 与小脑接触处膜粗糙度相关的粘附蛋白颗粒神经元 过氧化物酶体(粉红色)与ER薄片(红色)和线粒体(青色)并置。 /p script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=1AD2E183304AD28E9C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=490& playerid=5B1BAFA93D12E3DE& playertype=2" type=" text/javascript" /script p 　　在细胞开始(成年)之前(左)和之后(右)，神经元的细胞核看起来截然不同。随着细胞的成熟，DNA被重新包装在细胞核内以开启新的一组基因。这些变化反映在两个细胞内部的灰色斑点和彩色荧光的不同模式中。 “这项技术为分化前后的细胞核状态提供了惊人的详细快照，”参与该项目的圣犹达儿童研究医院的David Solecki表示。 span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 图片来源：D. Hoffman et al./Science 2020 /span /p script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=7CADAA470388AB6D9C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=490& playerid=5B1BAFA93D12E3DE& playertype=2" type=" text/javascript" /script p 　　发育中的神经元粘在一起。这段视频准确地展示了这些细胞是如何相互粘附的，揭示了类似瑞士奶酪一样的联系，帮助年轻的神经元正确地迁移到它们在神经系统中的最终目的地。黏附蛋白的紫色和绿色超分辨荧光图像与电子显微镜下详细显示膜结构的图像相互关联。资料来源: D. Hoffman et al./Science 2020 /p script src=" https://p.bokecc.com/player?vid=09DED3BA4931A08E9C33DC5901307461& siteid=D9180EE599D5BD46& autoStart=false& width=600& height=490& playerid=5B1BAFA93D12E3DE& playertype=2" type=" text/javascript" /script p 　　细胞内充满了小囊泡——这是一种膜囊，帮助细胞储存蛋白质、分解细胞垃圾和运输货物。仅在电子显微镜下，这些不同种类的囊泡是无法区分的。但通过cryo-SR / EM，它们的明显特征变得清晰起来。这段视频放大了核内体，核内体负责将货物运送到细胞内的不同区域。 span style=" color: rgb(127, 127, 127) " 资料来源: D. Hoffman et al./Science 2020 /span /p p br/ /p

p 　　7月17日，国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项“X射线三维分层成像仪”项目启动会和签约仪式在萧举行，来自全国30多位行业专家参加会议，标志着该项目正式启动实施。这也是2017年重大科学仪器设备开发专项首个召开启动会的项目。 /p p 　　据悉，该项目成为今年科技部发文的国家重点研发专项项目之一，并在近期获得了国家“重大科学仪器设备开发”专项项目资金支持。 /p p 　　该项目重点开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的X射线三维分层成像仪，以及创建相关软件和数据库，实现IC封装的高精度自动无损检测。一旦开发完成并实现产业化推广后，如要检测iPad内部结构，不用螺丝刀把硬件拆开，只需用“X射线三维分层成像仪”，通过3D图像构建就可实现无损检测。 /p p 　　据了解，该项目由金马控股集团有限公司和中国科学院高能物理研究所共同投资的北京高能新技术有限公司牵头，该公司在去年G20峰会时承担了高端核排查任务。 /p

一、背景介绍：机器视觉可称为人工智能的“慧眼”，成像系统的标定又是机器视觉处理的重要环节之一，其标定精度与稳定性直接影响系统工作效率。在传统机器视觉与摄像测量标定领域，小孔透视模型仍存在高阶透镜畸变无法完备表征和多类复杂特殊成像系统不适用的问题。而基于光线的模型以成像系统聚焦状态下每个像素点均对应空间一条虚拟主光线为前提假设，通过确定所有像素点所对应光线方程的参数即可实现标定与成像表征，可避免对复杂成像系统的结构分析与建模。基于该光线模型，研究院相关课题组发展了各类特殊条纹结构光三维测量方法与系统，实验证明光线模型可通用于多类复杂成像系统的高精度测量，是校准非针孔透视成像系统的有效模型，可作为透视模型的补充。二、光线模型Baker等人最早提出了一种可表征任意成像系统的光线模型[1]，认为图像是像素的离散集合，并以一组虚拟的感光元件“光素”表示每个像素与某像素相关联的空间虚拟光线间的完整几何特性、辐射特性和光学特性，如图1所示。因此，光线模型的标定即确定出所有像素点对应的光线方程，无需严格分析和构建成像系统的复杂光学成像模型，具备一定的便携性和通用性，从一定程度上也可避免镜头畸变的多项式近似表征引入的测量误差，为非小孔透视投影模型成像系统的表征提供了一种新的思路。图1 成像系统的光线模型示意图三、基于光线模型的条纹结构光三维测量在条纹结构光投影三维测量领域，光线模型一方面可作为三维重建的光线方案，用于表征大畸变镜头、光场相机、DMD投影机、MEMS投影机等多类特殊结构的成像与投影装置，可发展新的基于光线模型的条纹结构光三维测量方法与系统；另一方面，发掘光线模型在结构光测量中的优势，光线模型对克服投影与相机的非线性响应、大畸变镜头成像下提升三维重建精度具有优异的效果。3.1 Scheimpflug小视场远心结构光测量系统光线模型与三维测量课题组开发了小视场远心结构光测量系统，采用Scheimpflug结构设计确保公共景深覆盖，如图2所示。考虑到远心镜头属平行正交投影、Scheimpflug倾斜结构造成畸变模型非中心对称，因此，提出一种基于光线模型的非参数化广义标定方法[2]。系统中相机与投影机成像过程均采用光线模型表征，标定其像素与空间光线对应关系，计算光线交汇点坐标，实现三维重建。图3展示了系统实物图与五角硬币局部小区域的三维测量结果，测量精度为2 μm。图2 Scheimpflug小视场远心结构光测量系统图3 测量系统实物图与五角硬币局部的三维测量结果3.2光场相机的光线模型标定与主动光场三维测量课题组发展了基于主动条纹结构光照明的光场三维测量方法与系统。光场相机通过在传感平面前放置微透镜阵列，实现光线强度和方向的同时记录，由于存在微透镜加工误差、畸变像差、装配误差等复杂因素影响，光场相机完备表征与精密标定是个难题。课题组提出光线模型表征光场成像过程[3]，即将光场相机内部看作黑盒，直接建立像素m与所对应的物空间光线方程l的参数，如图4所示。并通过标定光场所有光线与投影条纹相位的映射关系实现被测为物体的高精度三维测量，考虑光场多角度记录特点，构建基于条纹调制度的数据筛选机制，实现了场景的高动态三维测量，如图5所示，黑色面板与反光金属可同时重建。图4 光场成像模型图5 主动光场高动态三维测量3.3 DMD投影机与双轴MEMS激光扫描投影机的光线模型标定与三维测量基于微机电系统（MEMS）激光扫描的投影机以小型化、大景深的优势被应用于条纹投影测量系统，如图6（a）所示。但由于其依赖激光点的双轴MEMS扫描投影图案，不依赖镜头成像，透视投影模型表征会存在一定误差。此外， DMD等依赖镜头成像的投影机，大光圈设计也会影响小孔透视投影模型的表征精度。对此，课题组采用光线模型表征投影机[4]，并提出了一种基于投影机光线模型的条纹投影三维测量系统标定方法，该方法根据双轴MEMS投影的正交相位对光线进行识别追踪，利用投影光线与相机构建的三角测量实现了三维重建。进一步发现：由于投影光线的相位一致性特性，光线模型可显著抑制系统非线性响应引起的测量误差，图6（b）展示了单目系统在3步相移条件下（未额外矫正非线性响应），分别使用透视投影模型与光线模型对石膏雕塑的三维重建结果，可见光线模型对非线性响应影响具有免疫性。图6 双轴MEMS激光扫描投影原理和石膏雕塑三维重建结果（3步相移，左图为透视投影模型，右图为光线模型）3.4单轴MEMS激光扫描投影机光线模型标定与三维测量单轴MEMS投影机将激光点扫描拓展为面扫描大幅提升了投影速率，可应用于动态测量。针对单轴MEMS投影机无透镜结构使得针孔模型不适用、单向投影无法提供正交相位特征点的问题，课题组提出一种基于等相位面模型的系统标定方法[5]，推导出了相机反向投影射线与该等相位面交点处的三维坐标值与相位值间新的映射函数，实现了快速三维重建。图7展示了使用高速相机搭建的单目测量系统和重建场景，投影采集速率为1000 frame/s，采用4步相移与雷码图相位展开，三维重建速率为90 frame/s。后续为适应更高速率测量应用，可将单目扩展为双目或多目系统，采用单帧解调相位和多极线约束相位展开等方法减少投影图像数量，提升三维测量速率。图7三维测量系统与动态重建场景3.5大畸变镜头成像的光线模型标定与三维测量针对传统低阶多项式不能完备表征大畸变镜头的问题，课题组采用光线模型表征大畸变镜头相机成像，并提出一种完全脱离对相机和投影机内参依赖（透视模型依赖相机与投影机内参）的光线与条纹相位映射的三维重建方法。通过直接标定相机光线与条纹相位的倒数多项式映射系数，避免了繁琐耗时的对应点搜索与光线插值操作。图8为装配4 mm广角镜头的光线标定结果与标准球三维测量结果，可见由于广角镜头畸变较大，光线模型较透视模型重建质量有所提升。图8 广角镜头光线标定与标准球三维测量数据的拟合误差分布（a）透视投影模型，（b）光线映射模型四、总结光线模型通过确定所有像素点所对应光线方程的参数实现标定与成像表征，从而避免了对复杂成像（投影）系统的结构分析与建模，解决了特殊条纹投影三维测量系统的标定与重建问题，同时在条纹投影三维测量的系统非线性相位误差抑制和精度提升上展示出优异性能。在结构光三维测量的未来发展中，可进一步扩展光线模型三维测量的方法与应用，提升测量精度、效率与通用性，解决各类特殊复杂场景中的应用测量问题。参考文献[1] Baker S, Nayar S K. A theory of catadioptric image formation[C]//Sixth International Conference on Computer Vision (IEEE Cat. No.98CH36271), January 7, 1998, Bombay, India. New York: IEEE Press, 1998: 35-42.[2] Yin Y K, Wang M, Gao B Z, et al. Fringe projection 3D microscopy with the general imaging model[J]. Optics Express, 2015, 23(5): 6846-6857.[3] Cai Z W, Liu X L, Peng X, et al. Ray calibration and phase mapping for structured-light-field 3D reconstruction[J]. Optics Express, 2018, 26(6): 7598-7613.[4] Yang Y, Miao Y P, Cai Z W, et al. A novel projector ray-model for 3D measurement in fringe projection profilometry[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2022, 149: 106818.[5] Miao Y P, Yang Y, Hou Q Y, et al. High-efficiency 3D reconstruction with a uniaxial MEMS-based fringe projection profilometry[J]. Optics Express, 2021, 29(21): 34243-34257.课题组简介：本文作者：刘晓利 ，杨洋 ，喻菁 ，缪裕培 ，张小杰 ，彭翔 ，于起峰 ；深圳大学物理与光电工程学院深圳市智能光测与感知重点实验室。以于起峰院士领衔的深圳大学智能光测图像研究院主要研究方向包括大型结构变形与大尺度运动测量、超常光学测量与智能图像分析、计算成像与三维测量以及多传感器融合感知与控制等。

在唱歌或是说话时，需要人的胸部、颈部、下颚、舌头和嘴唇等处上百种肌肉相互协作才能发出声音，利用新发明的一种超高速核磁共振成像技术，美国贝克曼高等科学技术研究所的研究人员现在能够对这些肌肉的协作进行成像，研究这些协作的进程。 &ldquo 人能够发出各种声音，能够唱歌，这一点让我感到惊叹&rdquo ，Aaron Johnson介绍说，他是贝克曼高等科学技术研究所下辖的生物成像科学与技术研究组的成员，语言与听觉科学助理教授，&ldquo 声音是通过两小片组织震动发出来的。这正是我付出一生对其进行研究的原因：我觉得这太神奇了。&rdquo 声音是由位于颈部的喉发出的。当我们唱歌或是说话的时候，声带（两小片组织）闭合起来，当空气通过两者之间时导致其发生震动，发出声音。 Johnson曾经在芝加哥的合唱团做过十年的专业歌手，他对声乐表演的激情也延伸到了科研上来，希望弄清声音和神经-肌肉系统间的关系，他对声音随着年龄增长发生的变化尤其感兴趣。 &ldquo 随着我们年龄的增长，我们的神经-肌肉系统和喉会发生变化，并且萎缩。这些变化是随着年龄增长声音在各个方面变差的原因，比如声音变弱、变紧或是变&lsquo 喘&rsquo &rdquo ，Johnson介绍说，&ldquo 我的研究兴趣是弄清这些变化是如何发生的，以及通过人工干预，比如进行发声训练，是否能够扭转这些变化。要想进行这些研究，我需要实时的观察发声时喉部肌肉的活动。&rdquo 使用贝克曼生物医学成像中心研发的新的核磁共振成像技术，Johnson能够观察人在发声时相关肌肉活动的动态图像，成像的速度可以达到每秒100帧&mdash &mdash 远远高于世界上其它核磁共振的成像速度。 &ldquo 通常核磁共振的成像速度大约为每秒10帧左右，但我们可以达到每秒100帧，同时还不会影响成像的质量&rdquo ，生物医学成像中心的技术总监，生物工程学副教授Brad Sutton介绍说。 这项研究成果日前发表在了《医学磁共振》（Magnetic Resonance in Medicine）杂志上。 要研究说话和歌唱时舌头以及头部和颈部其它肌肉的活动，动态的图像尤其有用。 &ldquo 要捕捉到这些灵活的运动，成像速度必须要达到每秒100帧，这项技术的出色之处也正在于此&rdquo ，Johnson介绍说。 Johnson最近获得了美国国立卫生研究院颁发的K23事业进步奖（K23 Career Development Award），他目前正在研究通过训练养老院的老人进行合唱，是否能够改善喉部相关结构的状况，使他们发出的声音更强、更有力。这项研究需要使用核磁共振技术采集喉部在运动前和运动后的相关数据。 贝克曼高等科学技术研究所的电子和计算机工程教授Zhi-Pei Liang研究组的研究工作为这项新技术奠定了基础。Sutton和他的团队在此基础上研发出了新的技术，使得在谈话时进行高速成像成为可能。 &ldquo 这项技术的空间分辨率和时间分辨率都非常出色&mdash &mdash 图像非常清晰，同时成像速度也非常快。使用常规的核磁共振技术，通常精细的空间分辨率和时间分辨率两者无法兼得&rdquo ，Sutton说。&ldquo 我们研发了一种特别的数据采集方法，能够分别采集时间和空间数据，然后再把两者合并到一起，从而取得高质量、高分辨率的图像，而且成像速度还很快。&rdquo 在把动态图像和音频信号整合到一起的时候，研究人员使用了一种降噪光纤麦克风来采集音频信号，然后把音轨添加到视频图像上。 &ldquo 从工程师到语言学家，在贝克曼高等科学技术研究所，我们有一个非常活跃的研究群体。利用几年前还不存在的核磁共振新技术，我们现在能够进行很多扫描研究&rdquo ，Sutton介绍说。&ldquo 团队中有Aaron这样的科学家很有意义，他们能够提出各种科学问题，这些问题能够推动我们的科研进展。&rdquo

近日，天津市科学技术局发布《关于批准筹建天津市重点实验室的通知》，天津三英精密仪器股份有限公司（简称：三英精密）获批筹建“天津市高性能CT成像技术重点实验室”。天津市高性能CT成像技术重点实验室主要从事X射线CT成像检测技术、产品及应用研究，现拥有品类齐全的CT装备，具备从亚微米级到毫米级的CT成像能力，可围绕科研、工业领域的实际应用需求，开展CT成像测试、数据分析及多场耦合（如温度、压力、振动、拉伸/压缩、驱替等）搭载实验、计量CT检测等测试实验及技术服务。三英精密实验室现有员工及外部专家80余人，专业涵盖机械设计、电气设计、软件设计、算法开发、测试技术、数据分析等多个方向。研发成果包括零部件开发、整机系统开发、软件系统开发、算法开发、应用开发全流程。实验室具备研发覆盖X射线CT全品类产品的能力，包括微纳米分辨率的显微CT装备、450kV的高能工业CT、在线式CT、板式CT、卧式CT等行业专用型CT及相应的多场耦合加载装置。同时，配备高性能的统计、分析及仿真功能软件支撑，满足多领域样品的检测需求。此次实验室成功获批，标志着三英精密在X射线三维成像智能检测领域的卓越实力和突出贡献得到了认可。未来，三英精密将继续发挥技术积累和行业平台优势，以重点实验室为依托，不断提升自身的研发实力和创新能力，攻克技术难关，力求在精密制造、智能装备等领域取得更多突破性的成果。为X射线三维成像智能检测工作贡献智慧，推动形成支撑未来国产X射线CT设备发展必需的标准体系和工作路线，为国产仪器的腾飞做出更大贡献。

华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤研究员团队在中红外三维成像领域取得进展，发展了宽视场、超灵敏、高分辨的中红外上转换三维成像技术，获得了单光子成像灵敏度与飞秒光学门控精度，可为芯片无损检测、远程红外遥感和生物医学诊断等重要应用提供有力支撑，相关成果以“Mid-infrared single-photon 3D imaging”为题于2023年6月9日在线发表于Light: Science & Applications。华东师大为论文的第一完成单位，博士研究生方迦南为论文第一作者，曾和平教授和黄坤研究员为共同通讯作者。激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、探测信息丰富等优点而被广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、工业生产检测等众多领域。特别是，中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖多种官能团吸收峰，能够对三维目标进行化学特异性识别，在无损伤物质材料鉴定、无标记生物组织成像，以及非入侵医学病理诊断等领域备受关注。此外，该波段包含多个大气透射窗口，且相较于近红外光有更好穿透烟尘、雾霾的能力，在形貌测绘与遥感识别等方面具有独特优势。长期以来，如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外三维成像领域的国际研究热点，对于促进其在低光通量、光子稀疏的微光探测场景下的应用具有积极意义。然而，单光子水平的激光三维成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于中红外波段缺乏高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件。近年来，随着红外器件工艺精进与新材料涌现，中红外探测器性能得到了长足发展，但依然面临着增强灵敏度、提升响应带宽、扩大像素规模、提高工作温度等亟待解决的难题。中红外三维测量可以采用光学相干层析、光热成像、光声成像等技术方案来实现，但往往需要逐点扫描，无法单次获取高性噪比的大面阵成像。因此，实现大视场、高分辨的中红外单光子三维成像仍颇具挑战。图3：中红外单光子三维成像装置图为此，华东师大研究团队发展了基于高精度非线性光学取样的中红外上转换测控技术，实现了超灵敏、高分辨、大视场的中红外三维成像，展示了单光子探测灵敏度、飞秒门控时间精度以及百万像素宽画幅。具体而言，研究人员采用非线性光学和频过程将信号波长高效转换至可见光波段，利用高性能硅基相机即可实现红外成像，从而规避了现有红外焦平面阵列灵敏度不足的技术瓶颈。同时，该上转换成像系统采用同步脉冲泵浦方案，可将背景噪声限制在极窄时间窗口内，结合精密频谱滤波可以有效提升探测信噪比，进而实现单光子水平的成像灵敏度。此外，研究人员沿用课题组此前发展的非线性广角成像技术[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，通过单次曝光即可获得大视场成像，免除了逐点机械扫描过程，大幅提升了成像速度。图4：中红外三维立体成像，被测信号强度约为1光子/像素/秒进一步，研究人员采用超快光学符合门控技术，精确测量中红外信号的相对飞行时间，从而得到被测物体表面的形貌信息。该时间飞行成像系统的时间分辨能力取决于光学脉冲宽度，可以达到飞秒水平的时间标记精度，通过高速延时扫描与宽场全幅采集，对被测场景进行快速时域切片，进而反演出目标界面的反射率、透射率以及材料的吸收率、折射率、色散量等丰富信息。图4展示了多角度中红外照明下三维数据信息融合重构出的被测目标立体形貌，其中被测信号强度约为1光子/像素/秒。图5：时空关联去噪算法，信号和噪声水平分别约为0.05和1000光子/像素/秒 在稀疏光子场景中，有效信号往往被淹没在严重的背景噪声中，仅从强度信息通常难以识别被测目标。为此，如何有效地区分信号和噪声光成为单光子成像的关键难点。为模拟极低照度、高噪声场景，该研究团队将红外信号衰减至0.05光子/像素/秒，对应的信噪比低至1:20000。如图5a-c所示，传统强度峰值识别算法并不能有效甄别信号。在主动成像中，成像系统接收的信号光子在时-空域上具有一定的连续性，而背景噪声光子则会随机分布在整个时间轴与空间像素点上。 基于该特性，研究人员发展了精确、高效和鲁棒的点云去噪算法，通过关联增强空间相邻像素与相邻时间帧的强度，有效提取与甄别信号光子，进而实现高背景噪声下的中红外单光子三维成像（图5d-i）。 所发展的中红外三维成像技术具备高灵敏与高分辨的独特优势，结合该波段优越的抗散射干扰能力，对于复杂环境下的红外场景恢复具有重要意义，可以发展出中红外散射成像与中红外非视域成像。此外，通过调谐中红外信号波长，可以实现四维高光谱成像，可为材料检测、无损探伤、生物成像等创新应用提供有力支撑。 近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外单光子测控方面开展了系列创新研究，先后发展了中红外非线性广角成像 [Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，中红外单光子单像素成像[Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及高帧频中红外单光子光谱 [Laser Photonics Rev. 2300149 (2023)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的资助。

借助组织透明化技术和光片荧光显微技术的发展，研究者对生物组织内部的结构及生理、病理特征的观察和分析从2D提升到了3D。透明化三维成像技术利用深部组织可视化和大数据，引领科学领域的进步。我们针对科学研究中组织三维成像的重点和难点为目标，发展和完善“组织透明化方法”、“光片显微镜成像”、“数据采集分析处理”，并大力推广组织透明化三维成像方法、技术和应用。技术培训班不仅将介绍不同组织透明化方法相关的技术和应用，讲解成像工具的基础知识，而且会进行组织透明化染色、光片显微镜及数据采集，拼接和处理的实操演示。我们将邀请到国内此领域的知名专家学者做特邀报告，借此为致力于组织三维成像研究者提供一个共享科研成果和前沿技术，了解学术发展趋势，拓宽研究思路的机会。本次线下培训班由锘海生物科学仪器（上海）股份有限公司主办，我们专注于高速高分辨率的3D荧光显微成像系统的研发、生产和服务，广泛应用于脑科学、肿瘤学、药物研发、干细胞研究、组织胚胎学等各个研究领域，同时建立起高性能大数据存储系统，目前与国内外数十家高水平实验室开展合作研究，并获得了高质量的成像数据。讲座于2020年8月27日—8月29日在锘海生物科学仪器（上海）股份有限公司的总部上海漕河泾开发区举办，8月我们在锘海期待与您相聚。详情可咨询13818273779（手机与微信同号）