超声动态仪

对于生物医学研究，著名物理学家理查德费曼有句名言：“...很多基础生物学的问题是很容易被回答的；你只是需要看到它们就够了”。这句话一定程度上说明了直接观察的光学显微镜对于细胞生物学、发育生物学、免疫学、病理药理学等生物医学研究的重要性。但是受衍射极限的限制，传统光学显微镜的分辨率理论上只能达到光波长的一半。近20年来，超分辨荧光显微成像技术的出现有效打破了光学衍射极限的束缚。基于单分子定位技术的超分辨显微镜（SMLM）和受激发射损耗显微镜（STED）以及结构光照明超分辨显微镜（SIM）等技术在众多课题组的努力下都得到了长足发展，尤其是结构光照明显微镜由于成像速度快、光毒性小、无需特殊荧光标记等优势，已成为生命科学领域尤其是活细胞成像中最受欢迎的技术手段。近期，苏州医工所李辉课题组围绕着结构光照明超分辨显微成像方法、高保真SIM重构算法、以及国产化的SIM显微镜研制等方面取得了一系列重要进展。 　　三维成像方法因可以获取到更多的生物样品信息而备受关注。但是现有的三维成像不可避免的带来离焦模糊和时间分辨率差的问题，很难用于对样品的快速三维动态成像。为了实现对厚样品的快速三维成像，李辉课题组发展了基于数字微镜阵列器件(DMD)和液体变焦透镜（ETL）的结构光照明层切显微技术，并开发了基于两张原始图像的层切成像算法。该方法将传统的三维层切成像的速度提高了数倍以上，课题组利用该技术对斑马鱼和大脑血管的心血管系统进行了高速动态成像，清晰地显示了心脏跳动期的收缩-舒张过程以及腹部血管的蠕动特性。相关成果以“Four-dimensional visualization of zebrafish cardiovascular and vessel dynamics by a structured illumination microscope with electrically tunable lens”为题发表在Biomedical Optical Express（2020）上，其中博士生陈冲为论文第一作者。 　　图1 基于两张正反图像的结构光照明层切算法（左）；斑马鱼心脏跳动过程的快速三维成像（右）。 　　结构光照明超分辨成像技术在多种纳米尺度的亚细胞结构研究中已经得到广泛的应用。但是对于具有大动态范围的样本，例如聚集的细胞囊泡，样品中荧光较强的聚集性区域和亮度较弱的稀疏区域不能同时呈现。现有的SIM方法针对这种样品无法重建出高质量的图像。对此，李辉课题组提出了一种采用多重曝光采集的高动态SIM成像方法HDR-SIM，采集三组不同强度照明的SIM图像然后融合出一帧超分辨图像。用HDR-SIM，强度相差400多倍单个和聚集的荧光小球样本在同一张SIM超分辨图中可以同时观察到，并且对分辨率不会产生影响。在使用本方法观测不同尺度的细胞囊泡结构，单个小囊泡和大的囊泡聚集都可以同时获得清晰的分辨。相关成果以“High Dynamic Range Structured Illumination Microscope Based on Multiple Exposures”为题发表在Frontiers in Physics (2021)上，其中梁永为论文第一作者。 　　图2 高动态SIM成像原理（左）；“聚集-单个”的荧光小球高动态SIM成像（右）。 　　在结构光照明成像过程中，超分辨图像重建算法尤为关键。SIM重建算法的一些固有缺陷造成超分辨图像中经常出现重构伪影，使得SIM图像的保真度经常受到质疑，并且图像重建时需要完成一系列复杂的参数设定，限制着普通用户对SIM技术应用。李辉课题组开发了一种基于点频谱优化的高保真SIM重建算法。该算法有效克服了常规SIM算法极易产生重构伪影且光学层切能力差的问题，对不同质量原始数据的处理均能获得具有极少伪影和良好光学层切的高质量超分辨图像，有效提高了SIM成像的保真度。同时，该算法对OTF失配和用户自定义参数不敏感，使用生成的理论OTF和较少的参数即可重构高质量SIM图像，降低了SIM成像对实验实施和后处理重构的高要求，提升了算法对普通用户的友好度。相较于几种传统的SIM算法, HiFi-SIM算法对多种不同图像质量、不同样品复杂度、不同图像来源(商用设备/自主搭建SIM系统)的原始数据进行重建, HiFi-SIM均展现出了最少的重建伪影和最优的图像质量。相关成果以“High-fidelity structured illumination microscopy by point-spread-function engineering”为题发表在国际光学类顶级期刊Light: Science & Applications (2021) 上，其中文刚为论文第一作者。 　　图3 高保真结构光照明超分辨成像重建算法HiFi-SIM（左）；细胞结构HiFi-SIM与其他算法重建结果比较（右）。 　　李辉课题组自2014年以来一直专注SIM成像的技术创新、仪器研发和应用推广，开发了多种形式的结构光照明显微镜系统。最近，基于课题组最新的研究成果，研发了一套可集成于显微镜下层光路的结构光照明插件，具有结构紧凑、方便易用等特点。插件可配置国产倒置荧光显微镜，实现了SIM超分辨成像系统的国产化替代。首台机器已经于近期交付某大学用户进行试用。 图4 插件式结构光照明超分辨成像系统 　　以上工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委项目的支持。

近日，中科院大连化学物理研究所研究员徐兆超团队发展了聚集体调控探针，解决了以往蛋白标签荧光探针在超分辨成像应用中缺乏对多种细胞器通用性标记的问题。相关研究成果已发表于《聚集体》。　　纳米尺度下细胞器与亚细胞器动态行为的监测与解析对于生命进程的解密至关重要。徐兆超团队前期针对溶酶体内酸性微环境设计合成了溶酶体自闪染料，并借助单分子定位显微镜（SMLM）实时监测了溶酶体运动并发现4种溶酶体间相互作用模式，针对脂滴内部高度疏水环境设计了缓冲脂滴探针，实现了脂滴的稳定超分辨成像并发现脂滴融合的新模式。该团队构建的SNAP蛋白标签探针还克服了传统线粒体探针易受电位波动而脱靶的问题，实现了对线粒体的稳定标记和动态超分辨成像。　　然而，蛋白标签荧光探针依然面临细胞渗透性差的问题，特别是探针在细胞内局域分布使得单一探针难以具有对多种细胞器广谱性标记的性能。对此，该团队发展了具有“单体—二聚体—聚集体”多体系动态调控的SNAP蛋白标签探针BGAN-Aze，该探针在细胞外形成荧光淬灭的纳米聚集体而具有快速穿透细胞膜和在细胞内广泛分布的能力，在细胞内以单体的形式与目标蛋白共价连接，并伴随荧光的恢复，最终实现细胞内多种细胞器选择性荧光识别与细胞器亚结构的动态超分辨成像。　　此外，研究发现BGAN-Aze为不带电荷的中性分子，可保持高度的细胞渗透性与生物相容性，能够实现纳米尺度下对细胞膜、线粒体、细胞核等多种细胞器亚结构的长时间追踪。　　该探针基于遗传编码技术，实现了细胞内多种细胞器选择性荧光识别的广谱应用性，并且实现了细胞器亚结构的动态超分辨成像，进而揭示了多种未见报道的细胞器结构动态变化，为进一步研究不同细胞器的功能提供工具。

成果名称动车组空心轴超声探伤仪器单位名称北京新联铁科技股份有限公司联系人王迎宽联系邮箱wangyingkuan@shenzhou-gaotie.com成果成熟度□正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 √ 可以量产合作方式□技术转让 □技术入股 □合作开发 √ 其他 自主研发成果简介： 1.关键技术 动车组空心车轴超声探伤仪器，主要由超声检测系统、数据处理和显示子系统、定位子系统、电气控制系统及机械整体构架等组成，其关键技术主要有以下几点。 （1）高速多通道嵌入式超声控制器及超声换能器 图1前置电子处理单元 前置电子处理单元是动车组空心车轴超声波探伤设备的核心部件，该单元由硬件检测电路、嵌入式CPU、A/D转换器、具备半导体散热的防护壳体及检测软件组成。其主要功能是发射脉冲激励晶片产生超声波、接收超声波信号同时对信号进行处理和数字转换，识别探头移动的三维距离，并把超声波数字信号、探头位置等检测与控制信息通过网络上传给控制计算机。采用多处理器技术、大容量缓存技术，可实时进行数据的压缩，数据传输速度快。该单元性能先进、结构紧凑、搞干扰能力强，达到国际先进水平。 图2不同型号的超声波换能器 完成了超声换能器的自主研制，其性能达到国外进口水平，部分参数优于国外探头，目前国内超声换能器完全能够取代进口产品。同时，为了解决检测空心车轴内表面缺陷的要求及30孔车轴须检测的纵向缺陷及内表面缺陷的要求，研制了专用的爬波探头和组合探头。 （2）超声耦合技术 本项目对超声耦合剂使用时的环境温度与耦合性能的关系作了大量研究，成功解决了因我国地域辽阔南北温差大带来的超声耦合问题。创新的耦合剂回收，既使得探头与空心车轴内表面的耦合压力稳定，又回收盈余的耦合剂，节省了检测成本。 新型动车组空心车轴超声波探伤设备采用动态耦合技术，在保证耦合效果的同时，极大的减小了耦合液的使用量，降低作业成本。动态耦合技术包含耦合液供给部分、耦合液回收部分、耦合液存放装置、密闭耦合部分。经过实际验证动态耦合技术耦合效果良好，满足动车组空心车轴超声波探伤需要，周向耦合能够控制在3dB以内。 （3）探伤软件 我公司经过两年时间的自主研发，完成了用于控制和监控动车组空心车轴超声波检测的软件系统，该软件基于.net开发，具有直观的图形控制界面，操作符合MW习惯，由多种不同的程序和动态链接库组成，可以在任何一台PC进行全功能操作。 探伤人员可以根据探伤过程中的A型显示方式的波形特征，对车轴上存在的缺陷的类型进行定性分析。A型显示是一种实时的显示方式，设备在扫查过程中无法满足探伤人员分析的需要，为此我们专门设计了探伤扫描图像的离线A显示，将探伤扫查过程的数据存储到上位机中，在探伤扫查完成之后，可以通过调用存储的数据实现A型显示的再现，满足探伤人员分析的需要，同时数据可以永久的存储在数据存储介质中，随时供探伤人员调取、分析。 图3 探伤软件的开发 （4）高速旋转探杆系统 图4 60mm—65mm探杆系统 第一、独创的密封式旋转油腔技术，使耦合油存储在密闭的空间内，保证了极佳的耦合效果，并且能够很好的保护探头，有效解决了原有探杆系统耦合不良的问题。 第二、在探杆旋转油腔内创新设计了耦合油回收系统，使该探杆具备供油和吸油双油路系统，耦合压力稳定，确保耦合油液一直停留在旋转密封油腔内，探杆的其他部分与油液分离。解决了原来整体探杆浸泡在油液中，导致部分电子部件因漏油失灵的故障。 第三、创新设计了探杆进给运动导向滑轮，保证探杆和空心轴内孔的同心度，使探伤过程运行平稳，确保探头在周向运动过程中耦合的稳定性。 第四、更加高效的完成空心车轴缺陷的扫查工作。探杆前端旋转部分采用全新的探头布局技术,具有平衡性好、回转定心准确等优点。独创的密封式旋转油腔技术，使耦合油存储在密闭的空间内，保证了极佳的耦合效果，并且能够很好的保护探头，解决了国外其它厂家探杆系统普遍存在的耦合问题。探杆采用耦合油回收技术，设置有供油和吸油双系统，耦合压力恒定，密封性好，可保证探杆不进油。 （5）集成化的控制系统 控制系统是集数字I/O、模拟I/O、电机及其位置控制于一体的控制单元，具有体积小、高抗震性、安装方便等优点，可满足移动设备的特殊要求。 新型动车组空心车轴超声波探伤设备的设计、研发是一个系统的工程，其包括机械、电气、软件、超声波各方面知识。针对设备的研制，项目组设计了专用的实验平台并根据各测试项目的不同，制定了全面、有效的评价方案。实验平台涵盖机械、电气、软件、超声波等各方面的实验内容，评价技术科学有效能够客观的反映出各子系统的真实状态。 目前投入使用的平台有行走机构跑合实验平台、连续检测实验平台、探杆综合性能测试平台、油路系统实验平台等 （6）连挂传动系统 新型设计的助力平衡机构，结构科学、操作简单、大大的降低了操作人员的劳动强度，一个操作人员即可完成探伤扫查作业。快速锁紧装置可以迅速的将进给连挂系统连接到被检测的空心车轴上。与车体采用一体化设计，重量轻、效率高，方便使用人员操作。能兼容不同规格的探杆系统，满足不同车型探伤作业需求。 该机构由探杆的推进及旋转系统、链条传动系统、机械平衡臂和连挂装置组成。该设计能够保证耦合油液回到车体油箱，一体化结构使探杆系统由车体机械平衡臂支撑，悬挂后车轴轴端所受的悬挂重力非常小，能有效避免轴端压盖及轴端螺纹的损坏。采用快速锁紧装置，能将设备连接盘与适配器快速连挂、锁紧，人工连挂非常轻便，有效减轻了劳动强度，提高作业效率。 该机构可兼容30～110毫米直径探杆系统，可分别检测不同内孔直径的动车组空心车轴。通过更换不同的探杆系统放置筒并借助定位机构方便的进行切换，很好的解决了设备的兼容性问题。 图5快速锁紧装置 图6进给装置及助力平衡机构 2.技术先进性 该成果为为国内首创，与国外同类设备相比，在兼容性、探伤扫查时间、探伤精度、适用范围等方面均有显著优势，为国际领先水平，关键参数对比情况见下表。本项目是唯一通过铁路总公司（原铁道部）技术评审的成果。我公司通过本成果的实施，获得了中国铁路总公司2项技术标准立项，为《动车组空心车轴超声波探伤设备 第1部分：自动式》、《动车组空心车轴超声波探伤设备 第2部分：便携式》，目前报批稿已完成，预计2016年发布。 3.技术创新点 （1）兼容性创新 本成果针对CRH系列各型动车组从Ф30mm到Ф110mm的空心车轴探伤需求，研发了多种探头阵列系统和多种车轴适配器，可以兼容不同孔径，满足不同型号的动车组的使用需求，填补了国内空白。 （2）高分辨力探头 采用压电复合材料晶片，具有高灵敏度、高分辨力、高机电耦合系数和高介电常数的特点，有效提高了外围电路阻抗匹配率，具有较高的能量转换效率，主要技术指标达到国际先进水平。 （3）高精度探头组合 采用多个不同声束方向、位置排布的探头，可对动车组的整根车轴进行无盲区扫查并发现车轴外表面的横向、纵向及材质缺陷，检测缺陷类型和精度达到国际先进水平。 （4）高集成度精密探杆 自主设计制造了全世界第一根Ф30mm八通道探杆，满足国产新造CRH380系列空心车轴检测要求，在长客和青岛庞巴迪使用良好，填补了国际空白。 （5）数据管理与远程诊断 开发了动车组空心车轴探伤管理信息数据平台，可从探伤设备收发数据并存储到数据中心，实现探伤数据统一管理与远程诊断，提高了动车组空心车轴探伤的智能化水平。 4.性能指标 （1）适应环境温度：0℃～＋45℃； （2）系统检测灵敏度：1mm深度周向缺陷可检出，体积缺陷Ф2mm平底孔当量可检出； （3）单轴扫查时间：4分钟； （4）超声波通道数量：8通道； （5）探头频率：4MHz； （6）可测轴孔径：可检测Ф30mm、Ф39mm、Ф40mm、Ф60mm、Ф65mm、Ф80mm、Ф110mm空心车轴； （7）最大检测长度：2705mm； （8）探伤扫查探头转动速率：20～150rpm可调； （9）检测螺距：1～10mm可调； （10）最大功率：1.49kw。 5.应用研发 本成果已经形成了批量生产工艺，具备了产业化条件，目前销量已达150余台/套，在全国北京、上海、广州、济南等18个铁路局进行推广应用，占据了动车组空心车轴检修领域90%的市场份额，客户反映良好。 随着项目产业化的实施，我公司开发了动车组空心车轴探伤管理信息数据平台，可以适用于全国各铁路局、动车检修基地、动车所对动车组空心车轴探伤数据进行统一管理，为铁路局各级人员提供决策数据支持、检修预警、台帐管理、作业监控、作业质量评价等功能。 我公司还在本成果的技术基础上，研发适用于机车、地铁等其他轨道交通车辆的车轴超声探伤设备，拟将产品推广到轨道交通的更多领域。应用前景： 1.成果主要用途 本成果针对我国动车组运行密度大、里程长、环境复杂多样，车轴型式多样、速度等级不一、运用质量及检测要求高等特点，研发了兼容各型动车组空心车轴超声波探伤关键技术，能够满足目前所有车型空心车轴的裂纹和材质缺陷检测的需求，兼顾CRH系列各型动车组空心车轴的检测应用，形成了我国轨道列车空心车轴无损探伤体系，解决了我国动车组空心车轴无在役运行缺陷检测的重大问题。 2.适用领域 本成果属于轨道交通领域，适用于动车组空心车轴的出厂检验及在役检修，主要应用在动车检修基地、动车运用所、主机厂等单位。 3.市场预测 本成果是轨道交通行业的配套产业，近几年，我国轨道交通行业投资规模巨大，一大批动车检修基地、动车运用所的建设及改造工程正在进行。未来我国铁路行业仍将保持高速发展态势，预计在“十三五”期间，我国还将新建27个动车运用所，2个动车检修基地，2个和谐型大功率检修基地。伴随城际铁路的发展也将有一批检修所建设。 铁路行业的快速发展，路网规模的进一步扩大，将推动18个路局对车辆段、机务段的更新改造，检修设备的投入是车辆段、机务段的更新改造的重点，这就推动了本行业的快速发展，预计2016—2020年，铁路机车车辆检修设备市场规模约177亿元。 按照铁道部运输局制定的运装管验[2011]175号文件中关于公布《动车运用所关键设备技术条件》的《空心车轴超声波探伤设备技术条件》的要求，以及TG/CL 127-2013《铁路动车组运用维修规程》，动车运用检修必须进行空心轴超声探伤。截止2014年底，中国CRH系列动车组拥有量1411组、13696辆，未来3-5年CRH系列动车组将很快达到2000组、约20000辆，对项目产品的需求量会更多。我国有52个动车运用所，对空心轴探伤机的需求量很高，按照每个运用所配套10台项目产品，项目产品需求量约为520台/套。知识产权及项目获奖情况： 1.知识产权 本成果申请国内发明专利4项，授权2项；获得实用新型专利授权22项，外观设计专利授权1项，取得软件著作权2项。已取得知识产权情况如下： 1 一种空心车轴探伤机的远程监控系统 发明专利 201110243207.8 授权 2 采用活动轨段的轨道车辆车轮探伤系统和方法 发明专利 201310030813.0 授权 3 空心轴探伤探杆 实用新型 201020167088.3 授权 4 超声波探伤用适配器 实用新型 201020296334.5 授权 5 便携式空心车轴超声波探伤仪 实用新型 201120317637.5 授权 6 空心轴超声波探伤用对比试样轴 实用新型 201120317632.2 授权 7 空心轴探伤探杆耦合剂工作状态观察装置 实用新型 201120300835.0 授权 8 空心车轴超声波探伤机探杆防撞保护装置 实用新型 201120300843.5 授权 9 一种防止空心车轴探伤探杆进油的密封结构 实用新型 201120270160.X 授权 10 一种空心车轴超声波探伤校验体 实用新型 201120269956.3 授权 11 确保探伤机进给机构与空心车轴同心连接的连接装置 实用新型 201120269978.X 授权 12 空心轴内部缺陷距离深度补偿定量检测试块 实用新型 201220118848.0 授权 13 一种用于动车空心轴超声波探伤机适配连接装置 实用新型 201320705173.4 授权 14 一种探伤机进给链条 实用新型201320705314.2 授权 15 一种能够改善探头耦合性能的探头支架装置 实用新型 201520173657.8 授权 16 旋转油腔式探杆 实用新型 201520173382.8 授权 17 格莱圈安装工具 实用新型 201520173696.8 授权 18 一种探伤机行走传动装置和探伤机行走装置 实用新型 201520367334.2 授权 19 用于空心车轴超声波探伤的适配器 实用新型 201520431630.4 授权 20 空心车轴探伤装置 实用新型 201520602798.7 授权 21 探杆的密封联接装置 实用新型 201520586904.7 授权 22 空心轴探伤机线缆收集装置 实用新型 201520532309.5 授权 23 动车组空心车轴超声波探伤探头 实用新型 201520589322.4 授权 24 移动式动车组空心车轴超声波探伤车 外观设计 201130285883.2 授权 25 XHAT-M系列空心轴探伤信息化接口软件 软著 2010SR054488 授权 26 SUN-1型动车组空心车轴超声波探伤机检测软件[简称：SUN]V1.1.3 软著 2014SR088883 授权 2.所获奖励及科技计划 本成果所获荣誉奖励情况详见下表。 1 首都科技条件平台仪器开发培育项目 新型动车组空心轴超声探伤仪器的产业化培育 2 北京市科学技术二等奖 兼容各型动车组空心车轴超声波探伤关键技术研究及应用 3 上海铁路局科学技术进步一等奖 动车组空心车轴超声波探伤专用探头国产化 4 国家火炬计划产业化示范项目 兼容各型动车组车轴超声波探伤机产业化项目 5 国家重点新产品 空心车轴超声波探伤机