三维图像悬浮显示装置

一种新型三维图像悬浮显示装置，近日在中科院长春光机所研制成功，通过该装置，观众可以360度环绕欣赏立体图像，获得意想不到的感官效果。 在中科院长春光机所新技术研究室，记者见到了该装置的原理样机。在一个用玻璃做的倒金字塔中，悬浮的立体图像不断变幻。无论从周围哪个角度观看都十分清晰逼真。 科研人员介绍，这项新成果全称是“基于单源光路的三维图像多方位悬浮显示装置”，它的可观看视角达到360度。该装置采用高亮度投影光源，即便经过视差障栅亮度损失，显示的立体图像也能保持较高的亮度，甚至在普通的光照环境下也清晰可见。依靠这种装置，观众不需要借助任何助视仪器，就能够多人同时围绕显示区域，多角度观看三维图像，视点完全不受限制。 据了解，目前国内市场上大多数三维显示产品，虽然能给观众带来丰富的视觉享受，但其影像效果仅能在显示屏正前方的一定范围内得以保证，而且视场角有限，图像亮度不够。丹麦兰博公司研制的一套类似系统，放映的图像悬浮在显示装置中央，做到了多方位观看，但观看者看到的图像没有视差，因此这种三维图像只有心理景深而没有视觉景深。 中科院光机所的该项研究成果，有效解决了真实三维物体全方位悬浮显示的技术问题。随着其工艺日益成熟，有望在广告、展厅、游戏等领域得到广泛应用，为观看者提供更高质量的观看体验。

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。”

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。

凝新聚力 以学促效8月18日，三英精密携手赛默飞联合举办的X射线CT三维图像研修班圆满落幕。来自全国各地的求知学员齐聚三英精密天津总部，跟随资深老师面对面研修，学习提升专业技能。研修在三英精密副总经理张宗的致辞中拉开序幕，张总通过阐述CT技术与三维图像在各行业中的广泛应用前景，鼓励大家尽快熟练掌握技术，学以致用，攻克各类技术难题，在行业应用中发挥更大效能。图：三英精密副总经理张宗致辞三英精密产品工程师康馨予，为各位学员介绍了三英精密全品类产品线并分享了《X射线CT成像技术及其应用》，展示了利用高性能CT实现的各行业成像案例。图：三英精密产品工程师康馨予在接下来的实操练习阶段，赛默飞大中国区销售总监何沛霖（Eric）为各位学员介绍了AVIZO 图像处理软件的基础理论并以实际案例带领着学员一步步操作，详尽解答各学员在图像处理过程中遇到的各类技术关卡与细节难题。图：赛默飞大中国区销售总监何沛霖（Eric）为了让学员更深刻的理解并掌握图像处理软件在实际案例中的应用，三英精密相关工作人员带领各学员前往测试中心参观讲解。图：学员参观测试中心作为国际上少数几家掌握微纳米级三维显微透视成像检测技术的企业，三英精密定位于聚焦X射线三维成像检测装备研发和制造，专注为多领域的科研及高端制造提供科学完善的数字解决方案。长期以来，三英精密与赛默飞就共同推进工业CT三维可视化和分析，满足用户对无损检测与各类三维可视化图像分析处理及创新解决方案上不断努力精进。未来，三英精密将举办各类X射线CT检测的技术研修班，让更多有需求的用户能够更便捷接触实际应用场景，激发三维图像视界无限潜能。

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。

瑞典皇家理工学院的研究人员最近发表的研究表明，利用新的荧光显微镜技术，生成了世界上第一个完整的活细胞中分子的纳米级三维图像，显示了脑海马神经元中蛋白质的近分子尺度图像。这种技术被称为3-D pRESOLFT，可以在比电子显微镜更大的范围内观察蛋白质，可以在不杀死细胞和破坏切片的情况下实现它。在以往的荧光显微镜中，可见光照射到用荧光染料染色的细胞和组织，但该方法仅限于制作二维图像，通常分辨率较低。3-D pRESOLFT通过使用包含可切换的荧光染料的干涉图案的组合，可以像光开关那样一边切换接通和断开一边记录大量的平行图像。 整个样品暴露在少光下，防止样品褪色。研究人员发现，观察精度缩小到50纳米，比人类头发小20000倍，用这种正确的方法在三维空间观察活细胞的能力可以研究蛋白质是如何重要但鲜为人知的生理过程。

2014年10月14日，世界上技术最先进的纳米成像（nanoimaging）技术解决方案开发商，Nanotronics Imaging宣布推出其最新的计算机控制显微镜&mdash &mdash nSPEC 3D。该公司是在田纳西州Nashville美国化学学会2014年国际橡胶会议上公布这一消息的。 　　nSPEC 3D配置了带先进的计算机模式识别算法的高品质光学镜头，定制化的3D打印硬件，具备人工智能，只需点击一下鼠标或做个手势即可捕捉纳米级的三维图像。 　　Nanotronics Imaging公司首席执行官Matthew Putman：&ldquo 我们的解决方案将使许多行业，包括工业材料、半导体、甚至是生物制药等，获得复杂的成像技术，可以提升他们的制造能力和快速、高效地操纵先进材料的能力。&rdquo 据了解，该公司开发nSPEC 3D的初衷就是为了解决工厂在对复杂材料进行高通量成像时所面临技术挑战&mdash &mdash 即无法捕捉3D图像中可重复的测绘图型及自动诠释功能。 　　与传统的实验室仪器不同，这款nSPEC 3D是由Nanotronics团队与纽约著名设计师Mari Kussman和Francis Bitonti合作设计的。通过将成像技术与3D打印技术相结合，可以以低得多的成本获得和使用纳米级图像。 　　Flow Polymers是领先的化学分散剂和加工助剂生产商，该公司首席执行官Michael Ivany称：&ldquo 我们对Nanotronics公司开发的nSPEC 3D兴奋不已，因为这款仪器有帮助行业优化产品的性能、使用寿命和稳定性。到现在为止，我们还没有找到一种仪器能够充分量化混合质量。&rdquo 　　在这次会议上，Nanotronics将利用Oculus公司虚拟现实技术与 Leap Motion的手势控制现场演示如何操作由 nSPEC 3D拍摄的纳米级3D景观展。

近日，中国科学院大连化学物理研究所公开招标，预算869万元采购1台高分辨三维重构X射线显微镜。招标项目详情如下：项目编号：OITC-G240270123项目名称：中国科学院大连化学物理研究所高分辨三维重构X射线显微镜采购项目预算金额：869万元（人民币）最高限价（如有）：869万元（人民币）采购需求：高分辨三维重构X射线显微镜 1 台/套 （允许进口产品）技术要求：1 分辨率及成像架构 ★1.1 最高空间分辨率：最佳三维空间分辨率≤0.5μm1.2 当 X 射线源距样品旋转轴 50mm 时的最佳空间分辨率≤1.0μm 1.3 最小可实现的体素（最大放大倍率下样品的体素大小）≤ 40 nm ★1.4 系统必须采用几何+光学两级放大的架构，以满足我单位对大样品进行局部高分辨率的成像需求。2 三维组织表征、重构及成像2.1 无损伤地对样品进行三维组织表征，可获得样品的三维组织形貌及不同角度、不同位置的虚拟二维切片组织形貌信息。不需制样或只需简单制备，不需真空观察环境，不会引入人为缺陷。 ★2.2 利用吸收衬度原理和相位传播衬度原理，可以对包括高原子序数和低原子序数在内的各种材料都能获得高衬度图像。 2.3 2000 张2k×2k投影重构图像数据（重构972 张Slice 图像）时间≤2.2分钟。2.4 支持纵向拼接技术，通过纵向拼接扫描结果获得更高视野的数据2.5 具备定位放大扫描功能2.6 具备样品移动自适应矫正、温度移动矫正、图像比对位移参照矫正等功能2.7 具备吸收衬度成像和基于边缘折射传播的相位衬度成像功能2.8 应具备硬件+软件的自动防撞机制, 可通过可见光扫描快速获取样品形状和实际轮廓，根据样品形状和轮廓，自动对源、探测器位置进行限位，以保证硬件和样品安全 。3 光源与滤波片★3.1 高能量微聚焦闭管透射式X射线源3.2 最高电压≥160kV，最低电压≤30kV，电压在最低和最高之间连续可调3.3 最大功率不小于25W3.4 Z轴可移动范围不小于190 mm 3.5 X射线泄露≤1μSv/hr（距离设备外壳25mm以上处）★3.6 带有单过滤波片支架，12个适用于不同能量段扫描的滤波片4 探测器4.1 能够实现二级放大的16 bit噪声抑制闪烁体耦合探测器, 探测器能够实现2048×2048以上的像素成像和三维重构★4.2 包含0.4X物镜探测器，实现2048×2048像素成像和三维重构4.3 包含高对比度，低分辨率的4X物镜探测器4.4 包含高对比度、高分辨率的20X物镜探测器4.5 探测器可移动范围不小于280mm★4.6 包含高分辨率40X物镜探测器5 样品台及样品室★5.1 全电脑控制高精度4轴马达样品台，具备超高的样品移动精度★5.2样品台X轴运动范围50mm；Y轴运动范围100mm；Z轴运动范围50mm 5.3 样品台旋转运动范围：360度旋转5.4 样品台最大承重范围：25kg5.5 样品台可承受样品尺寸范围：300mm★5.6 为了防止X 射线辐射泄漏、保护仪器操作人员，设备须采用全封闭式铅房设计，不能留有观察玻璃窗。样品室内配备可见光相机，确保操作人员无需通过观察玻璃窗即可监控和操作样品。5.7 配置原位台接口，可后期升级原位台。5.8 系统应具备智能防撞系统，可根据样品尺寸设定源和样品的范围，保障在实际成像过程中不会发生样品和源、探测器的碰撞损坏设备或样品。6 仪器控制与数据采集、重构、可视化及分析系统6.1 全数字化仪器控制，计算机控制工作站★6.2 具备三维数据采集及控制软件, 并提供1次免费升级服务。6.3 支持原始数据查看，图像标准特征显示（如亮度、对比度、放大等）、注释、测量6.4 可以进行基本图像测量，如图像计算、滤波等6.5具备快速三维数据重构软件6.6 具备三维数据可视化软件，展示三维重构结果，包括虚拟断层，着色、渲染、透视等，并实现基本分析功能和注释（3D Viewer）★6.7 专业的三维数据分析软件（一套）：可进行高级三维重构后视图展示与三维高级数据处理与分析包括定量分析与统计分布、切片配准与图像滤波、三维图像数据分割与特征提取、多模态融合与分析、三维模型生成与导出，几何特征计算等（如可以实现三维数据处理，对样品三维数据结果进行相分割，孔隙率计算，裂纹及孔的尺寸统计与空间分布）并且可与其它三维软件兼容, 厂家自带软件全部功能开放7 三维X射线显微镜控制主机（须内附三维X射线显微镜控制单元）Microsoft Windows10操作系统、符合或优于Dual Eight Core CPU 、 CUDA-enabled 3D GPU，12TB（3×4 TB）硬盘容量、32GB内存、RAID-5可刻录式光驱、24寸液晶显示器；额外再配置一台数据处理工作站，要求不低于以下配置：Microsoft Windows 10及以上正版操作系统、双10核CPU、Nvidia RTX A6000GPU、6TB硬盘容量、512GB内存、RAID-5可刻录式光驱、24寸显示屏。8 样品座及标样8.1 配备对中和分辨率测试标样1套，配备针钳式样品座、夹钳式样品座、夹持式样品座、高铝基座样品座、高精度针钳式样品座。9 可拓展功能★9.1 可与双束系统、场发射电镜的数据相关关联，可将CT所获得的数据文件格式如CZI, ZVI, TIFF, MRC等格式的二维图像和TXM 3D X-ray volumes体量数据，导入到电镜或者双束系统的软件中，实现亚微米级到纳米级的数据关联以及数据处理。10 其他硬件10.1 人体工学操作台，大移动范围、高精度花岗岩工作台，四门式防辐射安全屏蔽罩，配备辐射安全连锁装置和“X-ray on”指示器 潜在投标人需于2024年06月11日至2024年06月18日，上午9:00至11:00，下午13:00至17:00（北京时间，法定节假日除外），登录东方招标平台www.oitccas.com注册并购买招标文件，并于2024年07月02日09点30分（北京时间）提交投标文件。联系方式：1. 采购人信息名称：中国科学院大连化学物理研究所地址：辽宁省大连市中山路457号联系方式：王老师，0411-843797072. 采购代理机构信息名称：东方国际招标有限责任公司地址：北京市海淀区丹棱街1号互联网金融中心20层联系方式：窦志超、王琪 010-682905233. 项目联系方式项目联系人：窦志超、王琪电话：010-68290523附件：采购需求.pdf

结构和功能的异质性是普遍存在的生命现象，这要求在生殖发育研究、药物筛选等领域进行大规模的样品研究来消除个体差异。其中斑马鱼作为一种重要的模式生物，由于其体积小、透明度好、繁殖能力强等特点非常适合利用其进行大规模成像，在大规模遗传发育研究和药物筛选方面具有明显优势。然而目前常规成像技术受进样方式及成像方法限制，往往只能对少数斑马鱼样品进行手动操作的二维成像。近年来发展的光片照明显微镜可以实现对斑马鱼进行高分辨、低光照的三维成像，但是由于凝胶固定等复杂的样品准备流程，仍然无法满高通量的成像需求。并且获得一个完整的斑马鱼胚胎三维图像，往往需要在多个区域中分别扫描成像而后进行图像拼接，进一步限制了其在高通量分析中的应用。鉴于此，中科院苏州医工所李辉课题组将流式成像与光片结合，建立了流式光片成像系统（light-sheet flow imaging system， LS-FIS）。通过设计精密的控制时序，斑马鱼样品逐个地被加载到与水具有相似折射率的FEP管道中，并以倾斜的角度连续通过光片照明区域，与光片面垂直的物镜采集荧光信号进行成像。LS-FIS在样品流过照明面时进行连续成像，每帧图像叠加形成三维图像，从而实现了不进行图像拼接的情况下全斑马鱼胚胎的高通量三维成像。研究人员还在光片光路中引入明场照明与成像来完成样品运动速度标定与矫正，实现优于3μm的细胞分辨率三维成像。得益于高效的流式进样方式以及先进的图像重建算法，利用LS-FIS可实现200 胚胎/小时的全斑马鱼胚胎三维成像，相较于传统光片技术通量提高了50倍以上，这为使用斑马鱼进行大规模的遗传发育研究和药物筛选提供了仪器装备基础。相关结果以“Heterogeneities of zebrafish vasculature development studied by a high throughput light-sheet flow imaging system”的论文标题发表在最近的Biomedical Optical Express期刊上。图1 a）LS-FIS系统光路图；（b）LS-FIS液路图；（c）利用LS-FIS获得的典型全胚胎斑马鱼血管三维图像Tg(kdrl: EGFP)；（d）躯干放大图；（e）图b中三维截面图可清晰分辨血管内壁；（f）头部放大视图，可清晰分辨主要血管结构利用LS-FIS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3-9 dpf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，共获得超过500条全胚胎斑马鱼三维图像。针对这些大量数据的统计分析显示，节间血管总长在7dpf前持续增长，并且与二维结果一致；但7-9dpf间由于形态卷曲程度增加，二维图像已难以正确体现真实的血管长度，体现出三维成像在血管发育定量评价中的重要性。另一方面，针对晶状体血管网络这种典型的三维空间结构，仅二维成像更加无法全面获得其特征信息。而通过LS-FIS，可以方便地从全胚胎三维结构中分割出眼部区域，进而统计其形态结构，研究结果表明，虽然眼部晶状体血管网络（hyaloid basket）的形态在3-8dpf内仍然为持续增长趋势，但其方差仅为节间血管发育的10%。这提示尽管来自同一批胚胎，斑马鱼不同部位的异质性仍然存在很大差距，这也表明了大规模三维成像对于遗传发育的必要性。图2 （a）全胚胎三维数据中分割出躯干部分节间血管，并绘制血管发育曲线；（b）全胚胎三维数据中分割出头（左上）部及晶状体血管网络（右上、左下），并统计晶状体网络形状的深度及直径信息，绘制其变化曲线（右下）为适应大规模三维图像数据自动化分析的要求，研究人员还开发了基于深度学习的相关图像分析处理算法。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），通过多尺度特性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）。相关结果也发表在Biomedical Optical Express期刊上[1]。图3 LS-FIS样机论文第一作者为助理研究员杨光，通讯作者为李辉研究员。LS-FIS样机和图像分析算法为斑马鱼大规模三维成像，进行异型性研究提供了完整解决方案。本工作得到中国科学院仪器装备研制，国家自然科学基金委等项目的支持。参考文献：1. J. Yin, G. Yang, X. Qin, H. Li, and L. Wang, "Optimized U-Net model for 3D light-sheet image segmentation of zebrafish trunk vessels," Biomed. Opt. Express, BOE 13(5), 2896–2908 (2022).

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

三维显微激光拉曼光谱仪装置 Nanofinder® FLEX 　高性能 小型化 低价格 Nanofinder® FLEX是Nanofinder® 30的新型系列产品,具有Nanofinder® 30的基本性能, 各个器件做成小型组件,特别是拉曼光学器件的大小变成原来的1/6, 凝缩成A4尺寸。拉曼光学器件可直接安装在正立式光学显微镜上,非常节省空间,实际上只占有1台正立式光学显微镜的面积。因用光纤连接激光器,光谱仪,致冷式CCD探测器和其他器件, 不需特别配置实验场所。 更换激光光源时, 拉曼光学器件也需一起更换。拉曼光学器件的空间分辨率为300nm以下,其灵敏度高达1分钟内可测出Si的第4级拉曼光谱。操作性出类拔粹,不需任何光路调节,不管是谁都能简单使用。软件是深受用户好评的Nanofinder® 30的测定软件,测定内容充实,图像的可视化能力超群。特别是拉曼光学器件和压电陶瓷平台的小型化,使装置全体价格大幅下降,实现了低价格。另外, 实验室巳有的激光器,光谱仪和致冷式CCD探测器(ANDOR公司)都可使用,更能减少大量购买资金。 应用 透明材料(树脂,胶卷,有机EL)的形状观察 半导体/电子材料(异状物,应力,化学组成,物理结构) 薄膜/保护膜(DLC,涂料,粘剂)/界面层,液晶内部构造 结晶体(单壁碳纳米管,纳米晶体) 光波导回路,玻璃,光学结晶等的折射率变化 生物学(DNA, 蛋白质, 细胞 组织等) 特点 空间分辨率300nm以下的三维共焦拉曼光谱图像 高灵敏度(1分钟以内测出Si的第4级拉曼光谱),低功率激光照射(4mW) 采用共焦激光显微镜 拉曼光学器件大小凝缩成A4尺寸,实现低价格 采用压电陶瓷平台(X-Y-Z),扫描精度达到nm级 因采用光纤,使激光和光谱仪的实验配置非常自由 实验室巳有的激光,光谱仪,致冷式CCD探测器(ANDOR公司)都可使用 继续使用好评如潮的Nanofinder® 30的测定软件 反褶积软件的使用,使空间分辨率可达1.5倍以上 13581584194 中国联系人三维显微激光拉曼光谱仪装置 Nanofinder® FLEX 　高性能 小型化 低价格 Nanofinder® FLEX是Nanofinder® 30的新型系列产品,具有Nanofinder® 30的基本性能, 各个器件做成小型组件,特别是拉曼光学器件的大小变成原来的1/6, 凝缩成A4尺寸。拉曼光学器件可直接安装在正立式光学显微镜上,非常节省空间,实际上只占有1台正立式光学显微镜的面积。因用光纤连接激光器,光谱仪,致冷式CCD探测器和其他器件, 不需特别配置实验场所。 更换激光光源时, 拉曼光学器件也需一起更换。拉曼光学器件的空间分辨率为300nm以下,其灵敏度高达1分钟内可测出Si的第4级拉曼光谱。操作性出类拔粹,不需任何光路调节,不管是谁都能简单使用。软件是深受用户好评的Nanofinder® 30的测定软件,测定内容充实,图像的可视化能力超群。特别是拉曼光学器件和压电陶瓷平台的小型化,使装置全体价格大幅下降,实现了低价格。另外, 实验室巳有的激光器,光谱仪和致冷式CCD探测器(ANDOR公司)都可使用,更能减少大量购买资金。 应用 透明材料(树脂,胶卷,有机EL)的形状观察 半导体/电子材料(异状物,应力,化学组成,物理结构) 薄膜/保护膜(DLC,涂料,粘剂)/界面层,液晶内部构造 结晶体(单壁碳纳米管,纳米晶体) 光波导回路,玻璃,光学结晶等的折射率变化 生物学(DNA, 蛋白质, 细胞 组织等) 特点 空间分辨率300nm以下的三维共焦拉曼光谱图像 高灵敏度(1分钟以内测出Si的第4级拉曼光谱),低功率激光照射(4mW) 采用共焦激光显微镜 拉曼光学器件大小凝缩成A4尺寸,实现低价格 采用压电陶瓷平台(X-Y-Z),扫描精度达到nm级 因采用光纤,使激光和光谱仪的实验配置非常自由 实验室巳有的激光,光谱仪,致冷式CCD探测器(ANDOR公司)都可使用 继续使用好评如潮的Nanofinder® 30的测定软件 反褶积软件的使用,使空间分辨率可达1.5倍以上 三维显微激光拉曼光谱仪装置 Nanofinder® FLEX 　高性能 小型化 低价格 Nanofinder® FLEX是Nanofinder® 30的新型系列产品,具有Nanofinder® 30的基本性能, 各个器件做成小型组件,特别是拉曼光学器件的大小变成原来的1/6, 凝缩成A4尺寸。拉曼光学器件可直接安装在正立式光学显微镜上,非常节省空间,实际上只占有1台正立式光学显微镜的面积。因用光纤连接激光器,光谱仪,致冷式CCD探测器和其他器件, 不需特别配置实验场所。 更换激光光源时, 拉曼光学器件也需一起更换。拉曼光学器件的空间分辨率为300nm以下,其灵敏度高达1分钟内可测出Si的第4级拉曼光谱。操作性出类拔粹,不需任何光路调节,不管是谁都能简单使用。软件是深受用户好评的Nanofinder® 30的测定软件,测定内容充实,图像的可视化能力超群。特别是拉曼光学器件和压电陶瓷平台的小型化,使装置全体价格大幅下降,实现了低价格。另外, 实验室巳有的激光器,光谱仪和致冷式CCD探测器(ANDOR公司)都可使用,更能减少大量购买资金。 应用 透明材料(树脂,胶卷,有机EL)的形状观察 半导体/电子材料(异状物,应力,化学组成,物理结构) 薄膜/保护膜(DLC,涂料,粘剂)/界面层,液晶内部构造 结晶体(单壁碳纳米管,纳米晶体) 光波导回路,玻璃,光学结晶等的折射率变化 生物学(DNA, 蛋白质, 细胞 组织等) 特点 空间分辨率300nm以下的三维共焦拉曼光谱图像 高灵敏度(1分钟以内测出Si的第4级拉曼光谱),低功率激光照射(4mW) 采用共焦激光显微镜 拉曼光学器件大小凝缩成A4尺寸,实现低价格 采用压电陶瓷平台(X-Y-Z),扫描精度达到nm级 因采用光纤,使激光和光谱仪的实验配置非常自由 实验室巳有的激光,光谱仪,致冷式CCD探测器(ANDOR公司)都可使用 继续使用好评如潮的Nanofinder® 30的测定软件 反褶积软件的使用,使空间分辨率可达1.5倍以上

法如科技有限公司(纳斯达克：FARO)，世界领先的便携式测量以及成像解决方案提供商，日前发布全新法如激光扫描仪，即Focus3D。 　　 　　Focus3D 是一款革命性的高性能三维激光扫描仪，可进行复杂测量和建档，配有直观的触控屏，操作非常简便，如同一台即拍即得的数码相机。与同类产品相比，重量轻四倍，体积小五倍，可谓是业界最小、最轻的激光扫描仪。 　　Focus3D 利用激光技术，在短短几分钟内，即可生成复杂环境和几何物体的详细三维图像，简直难以置信。数百万彩色点组成的三维点云，可将当前环境数字化再现。 　　该款全新法如激光扫描仪Focus3D 可广泛用于大空间环境的建档、零部件的质量控制以及逆向工程等。凭其毫米级的测量精度以及每秒 976,000 个测量点的测量速度，Focus3D 可提供最高效、最精确的三维测量和建档，包括建筑施工、挖土石方量、建筑物外墙和结构变形、犯罪现场、事故地点、产品几何形状、工厂过程控制等。 　　 　　Focus3D 是一款自成体系的产品，无需额外装置、电缆或便携式 PC 等。其外形尺寸仅有 24 x 20 x 10cm，重量仅有 5.0kg，结构小巧，便于携带。 　　Focus3D 集成有彩色照相机，可实现零视差自动颜色叠加，进行照片般逼真的三维扫描。并配有高性能锂电池，工作时间长达 5 小时，在使用时也可进行充电。而且，所有扫描图像都存储在一个SD卡中，从而可将数据简便、安全地传送到 PC。 　　法如 Focus3D 可兼容许多应用软件。Focus3D 中集成的扫描处理软件 SCENE 其接口非常灵活，可连接 AutoCAD 以及其它 CAD 软件，诸如 Rhino、Microstation、Geomagic、Polyworks 等。　　 法如科技公司在全新 Focus3D 产品上进行了全面创新和功能改进，包装尺寸减少 50%。就同类技术而言，与当前的任何激光扫描系统相比，其价格更是降低一半以上，性价比极高。 　 &ldquo 通过革命性的产品 Focus3D，法如科技公司可向建筑师、土木工程师和工厂设计师，提供一种高效的工具，以快速、无缝、精确地对各种建筑物、工厂和施工现场的当前状态进行建档。Focus3D 功能先进，用户界面直观、简便，测量更加专业，跨越了相位式激光扫描技术的鸿沟&rdquo ，法如科技公司CEO Jay Freeland 如是说。 　　公司介绍： 　　作为便携式三坐标测量臂和三维激光跟踪仪测量的领先者，法如公司是一家具有世界领先技术的集设计、生产、软件开发于一体的三维检测设备科技公司。迄今为止, 已在全球有安装了超过20000台设备，拥有超过10000个客户，同时，法如公司也是该行业唯一的纳斯达克上市公司。 　　我们的产品可用于进行夹具检具检测、CAD数模对比、逆向工程等，广泛应用于机械制造业及工业设计行业，诸如汽车、航空航天、模具、船舶制造、钢铁、等领域。 　　我公司总部位于美国佛罗里达州奥兰多市,亚太总部设在新加坡 同时，在瑞士、德国等欧洲国家设有制造工厂。FARO于2004年2月在中国上海成立了中国分公司,目前,随着FARO在中国队伍的不断扩大,我们已在北京建立了办事处,在广州、成都、长春及西安等地区设立了联络点。并建立了该行业亚洲唯一的技术服务中心，使得我们能更好的为客户提供最直接的服务。 　　欲知产品更多信息：点击进入 法如科技 FARO Technologies,Inc. 地址：上海市桂林路396号3号楼1楼 邮编：200233 Tel： 86-21-61917600 Fax：86-21-64948670 网址： www.faroasia.com/china e-mail: chinainfo@faro.com

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。

扫描电子显微镜，作为实验室必备工具，其功能如同照相机一样，让我们清晰的观察到材料的微观形貌，放大的尺度可以达到微米级甚至是纳米级别。扫描电子显微镜原理图一 扫描电子显微镜图片（左）和EDX图片（右）扫描电子显微镜的原理是利用电子束轰击样品产生二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光等信号，这些信号会被不同功能的探头分别接收，成像得到相对应的图片。比如二次电子信号获得的图片是材料的微观形貌，这个图像是灰度图，如图一（左）。特征X射线的图片则反应了材料的成分表征，但这个图片相比于二次电子形貌图，它是一张彩色图片，如图一（右）。由于扫描显微图片是二维的，是无法直观的获得Z方向的高度值。但样品表面的实际形貌是三维的，或许获得一个三维图像，可以更加准确的得到真实形貌。我们测试一个铝合金的断口，利用Hitachi Map 3D和SU5000的五分割BSE探头的外环四象限，分别获取图片并最终形成一张三维图片，再获取EDX的成分表征结果，两者叠加，可以得到一张彩色的三维形貌成分图，如图二所示。不仅可以在X，Y，Z方向准确的观察样品材料，同时获得三维成分信息分布的情况。图二 3D形貌EDX图片日立多功能自动化热场扫描电子显微镜SU5000，不仅配置有多个高性能探头，还可以对其增加多种扩展附件及软件，如EDS，EBSD，拉伸台，压缩台，加热台，制冷台，冷冻传输，真空转移，纳米操作手等，也可以进行光镜与电镜联用，原子力显微镜联用，拉曼联用， 3view超薄切片等，甚至可以多附件的联合使用，真正实现了一机多能。图三 SU5000及5分割BSE探头公司介绍：日立科学仪器（北京）有限公司是世界500强日立集团旗下日立高新技术有限公司在北京设立的全资子公司。本公司秉承日立集团的使命、价值观和愿景，始终追寻“简化客户的高科技工艺”的企业理念,通过与客户的协同创新，积极为教育、科研、工业等领域的客户需求提供专业和优质的解决方案。 我们的主要产品包括：各类电子显微镜、原子力显微镜等表面科学仪器和前处理设备，以及各类色谱、光谱、电化学等分析仪器。为了更好地服务于中国广大的日立客户，公司目前在北京、上海、广州、西安、成都、武汉、沈阳等十几个主要城市设立有分公司、办事处或联络处等分支机构，直接为客户提供快速便捷的、专业优质的各类相关技术咨询、应用支持和售后技术服务，从而协助我们的客户实现其目标，共创美好未来。

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。

由新型材料制造的探测器可以立刻扫描出整个物体，并生成二维图像。 图片来源：http://phys.org 　　近日，美国杜克大学的研究团队利用一种性能独特的材料，成功研制出部件更少、获取图像效率更高的探测器。相关研究成果日前在线发表于《科学》。 　　据介绍，这种新型材料名为“超级材料”，其微观结构是由一个个方形孔隙组成，每个方形孔隙都经过调谐，可以通过特定频率的光波。将这种材料蚀刻在铜片上后，即可收集图像，起到传统探测器摄像头的作用。 　　“利用这种材料，我们无需借助传统探测器摄像头中的透镜以及相关机械传动装置，即可获得被检测物体的微波图像。”该研究团队成员、杜克大学普拉特学院电气工程和计算机系研究生约翰亨特说。 　　他告诉记者，这种材料在被蚀刻于铜片之后，具备了很强的可塑性，并且坚固耐用。在使用时，可以被挂在安保场所的墙上，甚至像地毯一样被铺在地上。由于该材料上每个孔隙都可以单独接收某一频率光波所形成的图像，因此，将不同频率光波形成的图像合成后，即可获得被检测物体的全景图像。 　　亨特表示，机场中的安检设备等传统探测仪器，需要用透镜以及配套的机械传动装置对物体进行扫描。“在得到图像之前，你必须等待扫描过程的完成。而‘超级材料’中的每个孔隙，都相当于一个单独的‘摄像头’，因此，由这种材料制造的探测器可以立刻扫描出整个物体，并生成二维图像。其效率要比传统仪器高出许多，并使得我们可以在获取图像的同时，对图像进行压缩、处理。”他说。 　　此外，“用这种材料作为‘摄像头’的探测器也不再需要透镜、机械传动装置以及配套的信息存储与传送系统了。”该研究团队另一成员、美国加州大学博士后汤姆得利斯科尔说。 　　目前，研究者正对这一新型探测器进行改进，以使其能够获取三维图像。 　　据悉，该研究获得了美国空军科学研究办公室的资助。

从冷冻电镜的多个二维投影图像进行三维重构，获得蛋白质的三维结构。 兰州大学供图蛋白质结构解析是分子生物学的核心课题，对于人们认识蛋白质的功能，理解疾病的发病机理，进行药物设计和疾病治疗等都具有非常重要的意义。近年来，冷冻电镜技术在测定生物大分子结构方面取得了突破性的进展，虽然目前DeepMind 公司开发的AlphaFold已经可以从蛋白质序列预测蛋白质的三维结构，但其准确性还有待提升，其结果也只能作为预测结果使用。近日，兰州大学信息科学与工程学院教授路永钢课题组与兰州大学生命科学院副教授朱莉以及美国欧道明大学计算机科学系教授何静合作，提出了一种基于球面嵌入的蛋白质三维重构算法，有助于从冷冻电镜图像中重构出更加准确的蛋白质三维结构。相关成果以《基于两次球面嵌入的冷冻电镜投影图像三维重构》为题在线发表于《通讯生物学》。单颗粒分析是冷冻电镜测定蛋白质结构的主流技术。在利用冷冻电镜获得大量同一种蛋白质分子的二维投影图像后，该技术利用三维重构算法可以计算出蛋白质的三维结构。其中，蛋白质三维重构的核心问题是估计每个投影图像的投影方向，其本质是一个非凸优化问题。现有的算法大多是基于模板匹配，或者是基于期望最大化的参数估计算法，容易受到初始参数选取的影响，容易陷入局部极小，可能会重构出错误的蛋白质结构。为了提升三维重构结果的可靠性，路永钢课题组在该研究工作中充分利用了全体投影图像在投影方向以及等价线方面的全体一致性约束，通过两次球面嵌入获得了在三维空间中满足全体投影图像一致性约束的投影方向估计，进而计算出了蛋白质的三维结构。这种方法的特点是不需要初始模板，尽量从数据内部挖掘约束条件，对初始化依赖较小，因而提高了重构结果的可靠性和准确性。另外，路永钢课题组还提出了新的投影方向表示方法，利用两个互相垂直的向量（投影图像的法向量和自身坐标的X轴）来表示投影方向，并且讨论了这种表示和通常使用的欧拉角表示的等价性。在该论文的实验工作中，课题组分别使用了模拟数据集和两组真实数据集对算法进行了评价。通过与目前常见的几种算法（Synchronization、LUD、EMAN 2.1和RELION-2）进行对比，验证了所提算法的有效性。模拟数据由大肠杆菌70S核糖体对应的蛋白质结构通过计算机模拟投影生成。真实数据使用了从EMPIAR数据库下载的恶性疟原虫80S核糖体数据集（EMPIAR-10028）的冷冻电镜图像，以及Hedgehog受体补丁与纳米抗体TI23复合物（EMPIAR-10328）的冷冻电镜图像。实验结果证明了该论文提出的球面嵌入算法可以更准确地估计投影方向，并且在噪声比较高的情况下（例如SNR=0.1或0.2等），该算法能大大降低投影角估计的误差。三维重构的结果也证明了利用该算法在不同噪声水平及不同数量的投影图像上进行重构时都具有一定的优越性，得到的重构结果具有更高的分辨率，也更加接近于真实结构。

三维多细胞类球体（肿瘤球、微球、类器官）可以帮助我们在临床前药物筛选阶段更好地预测多种候选药物的潜在作用。但是，相较于二维单层培养细胞，采用三维培养细胞模型系统进行检测分析则更具挑战性。一起来看看珀金埃尔默是如何分析3D微组织球三维体积与分区的吧！3D微组织球的制备和成像过程使用 CellCarrier Spheroid ULA 96 孔微孔板制备细胞球在CellCarrier Spheroid表面极低吸附力96孔微孔板（珀金埃尔默公司，货号6055330）中接种 HeLa 细胞，细胞浓度分别为1.25E3、2.5E3与5E3。48小时后，以3.7%甲醇固定，再用DRAQ5™ 染料对胞核染色。如前文所述，用磷酸化组蛋白H3抗体（西格玛奥德里奇公司，货号H9908）和Alexa 546二抗体（美国生命技术公司，货号A11081）联合标记有丝分裂细胞。为达到快速成像的需求，本实验应用长工作距离物镜，使用表面低吸附力的U形96孔板直接成像。对于高分辨率深度成像试验，本实验将细胞球转入兼容高质量成像CellCarrier 384孔超微孔板（珀金埃尔默公司，货号6057300），然后利用ScaleA2试剂进行透明化处理。 “预扫描（PreciScan）”功能大大缩短图像采集时间并减小数据量研究人员利用Harmony软件的“预扫描（PreciScan）”功能扫描拍摄所有细胞球的图像。“预扫描（PreciScan）”是一项智能图像采集功能，它可以智能识别确定各孔内目标细胞的x/y坐标位置。通过低倍预扫描、智能联机分析和高倍再扫描，生成目标细胞的高分辨率图像。再扫描可以包含z-stack多层扫描和 / 或时间序列扫描。“预扫描（PreciScan）”功能有效节省了测量和分析时间并减小了数据储存空间（例如，使用20x物镜对在384孔微孔板内培养的细胞球进行观察分析时，预扫描可帮助减少25倍的分析时间和数据储存空间；而使用40x物镜观察时，可减少100倍的分析时间和数据储存空间），Operetta CLS与Opera Phenix系统都配置有这一功能。利用水浸物镜与光透明化技术优化成像深度使用水浸物镜，大大提高了成像质量，特别是提升了Z轴分辨率。此外，光透明化处理进一步改善了成像深度。光透明化处理不仅提高了样品内指标的均一性，而且减少了光散射和光学像差。在此基础上，采用长波长染色（如可行）也有利于减少光散射并提高透光率，使更多的激光照射在3D样品上。因此，可显著提升成像深度和信号检测效率。3D微组织球重构与分析生成三维或 XYZ 轴图像生成三维样品的 XYZ 轴或三维图像；在三维空间中变换样品图像——旋转、缩放或平移；导出视频——三维重建或涵盖多层平面视图的视频。定位细胞球与胞核使用“定位图像区域（Find Image Region）”功能定位整个细胞球；采用局部光强阈值进行 Z 轴光衰减补偿；选用一种“定位胞核（Find Nuclei）”方法——专门用于 3D 图像胞核分割。计算细胞球与胞核三维指标使用“计算形态特性参数（Calculate Morphology Properties）”工具分析细胞球和球体内单细胞的三维形态特征。胞球体积[μm3]球度[-]覆盖面积[μm3]细胞球高度[μm]155902000.7780314286定位有丝分裂细胞使用“定位胞核（Find Nuclei）”功能，根据局部光强阈值定位有丝分裂、 pHH3 阳性细胞；使用“裁剪区（Clip Box）”功能生成剖视图，从内部（右侧）观察细胞球。使用“裁剪区（Clip Box）”工具生成剖视图进行细胞分区，分析有丝分裂细胞分布情况计算出每个胞核到细胞球边界的最短距离；使用“选择区域”和“选择细胞群”功能，将胞核分成不同区域。可随意调整区域宽度；分析每个区域有丝分裂细胞数量和空间分布差异，得到各种不同的分析数据（例如，细胞形态参数）。使用“裁剪区（Clip Box）”工具生成剖视图基于Harmony4.8软件的整体成像细胞球三维分析方法我们可以检测到细胞球整体的形态学特征和细胞球同心区单细胞特性。采用DRAQ5™ 染料（红色）和pHH3抗体（橙色）标记细胞球，然后用ScaleA2试剂进行光透明化处理5天。使用Opera Phenix或Operetta CLS系统装配的20x水浸物镜（数值孔径1.0）和间距为1μm的 z-stack模块（z轴扫描高度：300μm）记录共聚焦三维图像。Opera Phenix系统的3D成像质量最佳。经实验发现，Operetta CLS系统在被测HeLa细胞球的成像深度和胞核检测性能方面与之不相上下。此处第4和第5步骤操作仅以Opera Phenix系统成像展示，Operetta CLS系统成像效果与之相当。参考文献1. Kriston-Vizi, J., Flotow, H. (2017). Getting the whole picture: high content screening using three-dimensional cellular model systems and whole animal assays. Cytometry, 91: 152–159. doi:10.1002/cyto.a.229072. User’ s Guide to Cell Carrier Spheroid ULA microplates. PerkinElmer.3. Smyrek, I., Stelzer, EH. (2017) Quantitative three-dimensional evaluation of immunofluorescence staining for large whole mount spheroids with light sheet microscopy. Biomed Opt Express, 8(2): 484-499. doi: 10.1364/ BOE.8.0004844. Hama, H., Kurakowa, H., Kawano, H. Ando, R., Shimogori, T., Noda, H., Fukami, K., Sakaue-Sawano, A., Miyawaki, A. (2011). Scale: a chemical approach for fluorescence imaging and reconstruction of transparent mouse brain. Nature Neuroscience, vol. 14: 1481–1488. doi.org/10.1038/nn.29285. Five top tips for a successful high-content screening assay using a 3D cell model system. PerkinElmer Brief.6. Letzsch, S., Boettcher, K., Schreiner, A. (2018). Clearing strategies for 3D Spheroids. PerkinElmer Technical Note.7. Boettcher, K., Schreiner, A. (2016). The benefits of automated water immersion lenses for high-content screening. PerkinElmer Technical Note.关于珀金埃尔默：珀金埃尔默致力于为创建更健康的世界而持续创新。我们为诊断、生命科学、食品及应用市场推出独特的解决方案，助力科学家、研究人员和临床医生解决最棘手的科学和医疗难题。凭借深厚的市场了解和技术专长，我们助力客户更早地获得更准确的洞见。在全球，我们拥有12500名专业技术人员，服务于150多个国家，时刻专注于帮助客户打造更健康的家庭，改善人类生活质量。2018年，珀金埃尔默年营收达到约28亿美元，为标准普尔500指数中的一员，纽交所上市代号1-877-PKI-NYSE。了解更多有关珀金埃尔默的信息，请访问www.perkinelmer.com.cn。

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)

近日，中国科学院新疆生态与地理研究所三维X射线扫描成像系统采购项目发布中标公告，卡尔蔡司以US$1,031,000.00（折合人民币约697万元）中标。一、项目编号：OITC-G220300354（招标文件编号：OITC-G220300354）二、项目名称：中国科学院新疆生态与地理研究所三维X射线扫描成像系统采购项目三、中标（成交）信息供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 新疆汇意达进出口有限公司 三维X射线扫描成像系统 卡尔蔡司Xradia515 Versa 1台 US$1,031,000.00 四、招标技术规格1. 工作条件1.1 电源：380V和230V±10%，AC(交流)，50/60Hz1.2 环境温度：15-27℃（最优：18~21℃）1.3 相对湿度：20-80%2. 技术要求：*整机要求：提供的设备为成熟的型号和配置，不接受后期改造或定制开发。2.1 分辨率及成像架构#2.1.1 最高空间分辨率：最佳三维空间分辨率≤0.5μm；2.1.2 当X射线源距样品旋转轴50mm时的最佳空间分辨率≤1.0μm；2.1.3 最小可实现的体素（最大放大倍率下样品的体素大小）≤40nm；#2.1.4 系统必须采用几何+光学两级放大的架构，以满足我单位对大样品进行局部高分辨率的成像需求；#2.1.5 具备当X射线源距样本旋转轴50mm中心位置时的最佳空间分辨率≤1.0μm；（应以厂家官方发布或者第三方发布的国际文献中数据或结论为有效证明文件）；2.1.6 在不破坏样品的情况下直接对直径≥20mm样品（如植物秆茎、试管边缘或高分子材料等）的侧边缘位置（即样品的旋转半径和工作距离不小于20mm）实现体素分辨率（voxel size）≤1μm的清晰扫描三维成像。2.2 三维组织表征、重构及成像2.2.1 无损伤地对样品进行三维组织表征，可获得样品的三维组织形貌及不同角度、不同位置的虚拟二维切片组织形貌信息。不需制样或只需简单制备，不需真空观察环境，不会引入人为缺陷；2.2.2 利用吸收衬度原理和相位传播衬度原理，可以对包括高原子序数和低原子序数在内的各种材料都能获得高衬度图像；2.2.3 基于CUDA的GPU加速重构，由1600张投影重构1K×1K×1K图像时间≤2.1分钟；#2.2.4 支持纵向拼接技术，通过纵向拼接扫描结果获得更高视野的数据，数据重构及纵向拼接需集成在数据采集软件，数据采集-三维重构-纵向拼接自动化，不依赖第三方软件或者离线软件；2.2.5 具有支持宽视场模式的物镜探测器，具备更宽的视野。2.3 光源与滤波片*2.3.1 高能量微聚焦闭管透射式X射线源；2.3.2 最高电压≥160kV，最低电压≤30kV，电压在最低和最高之间连续可调；2.3.3 最大功率≥10W；2.3.4 Z轴可移动范围≥190 mm；2.3.5 X射线泄露≤1μSv/hr（距离设备外壳25mm以上处）；2.3.6 带有单过滤波片支架，12个适用于不同能量段扫描的滤波片。2.4 探测器2.4.1 能够实现二级放大的16bit噪声抑制闪烁体耦合探测器, 探测器能够实现≥2048×2048像素成像和三维重构；#2.4.2 具备1个大视场0.4X 物镜探测器，实现≥2048×2048像素成像和三维重构，支持宽视场模式；2.4.3 包含高对比度，低分辨率的4X物镜探测器；2.4.4 包含高对比度，高分辨率的20X 物镜探测器；2.4.5 包含高对比度，高分辨率的40X 物镜探测器；2.4.6 探测器可移动范围≥290mm。2.5 样品台及样品室2.5.1 全电脑控制高精度≥4轴马达样品台，具备超高的样品移动精度；2.5.2 样品台X轴运动范围≥45mm；Y轴运动范围≥95mm；Z轴运动范围≥45mm；2.5.3 样品台旋转运动范围：360度旋转；#2.5.4 样品台最大承重范围：≥25kg；2.5.5 样品台可承受样品尺寸范围：≥300mm；*2.5.6 样品室内配备可见光成像设备，通过电脑操作即可实现样品的扫描位置对中，并可实时监控舱室内样品情况。并且要确保系统整体运行安全和封闭性，不可为开窗设计，防止X射线辐射泄漏；#2.5.7 系统应具备智能防撞系统，可根据样品尺寸设定源和样品的范围，保障在实际成像过程中不会发生样品和源、探测器的碰撞损坏设备或样品。2.6 仪器控制与数据采集、重构、可视化及分析系统2.6.1 全数字化仪器控制，专业计算机控制工作站，应满足或优于以下配置：Microsoft Windows10 Pro 及以上操作系统、双8核 CPU、CUDA-enabled 3D GPU，硬盘容量≥12 TB、内存≥32GB、液晶显示器≥24寸，带可刻录式光驱；2.6.2 具备三维数据采集及控制软件，可实现三维断层扫描图像重构及3D视图；2.6.3 支持多种格式的CT数据和CT图像输入/输出，预览，裁剪以及格式转换；2.6.4 具有图像处理方法，实现数据图像、CT图像的降噪、锐化、增强等；2.6.5 具备自动拼接功能，具备可变曝光功能，具备导航式扫描功能；2.6.6 具备图像伪影校正等功能，确保采集图像的真实性；2.6.7 具有ROI选择功能，用户可根据需要选择区域进行局部重建；2.6.8 支持对ROI进行量化分析，可得到选定结构的体积占比、每个单元的体积、表面积、形状比、等效直径等信息；2.6.9 支持对三维数据体进行旋转、平移、缩放、斜切视图、亮度/对比度、伪彩色等操作；2.6.10 可实现标记点、标尺、角度、路径、箭头、区域（矩形/椭圆/多边形/自由绘制）、三点拟合圆等测量和标注操作；2.6.11 支持二维、三维图像不同分辨率图像的输出，且能导出二维图像序列、逐层动态视频和制作三维视频动画；2.6.12 使用阈值分割、2D笔刷进行图像分割，实现3D感兴趣区的提取或修改；2.6.13 可转化3D感兴趣区为mesh模型，支持显示效果调整和导出STL、PLY、OBJ、VTK、IVW格式文件，方便客户后续分析或逆向；2.6.14 可对量化结果进行筛选、编辑，导出文件。3. 安全防护3.1 辐射防护箱体（用于屏蔽X射线，防止泄露，保证人身安全）；#3.2 安全屏蔽室需采用铅钢全封闭，不能留有可视透明窗口，设备内部样品和工作情况通过机台内部可见光相机清晰观察；3.3 双联锁X射线安全门，紧急停止开关，设备运行过程中，任何可开启之处被外力开启时，X射线立即停止；3.4 经用户授权可开通远程预警性技术服务，系统可以通过网络传输将运行数据传递给生产厂商的售后部门，实现线上的设备状态监控。4. 附件及零配件4.1离线工作站：应满足或优于以下配置：Microsoft Windows10专业版操作系统、至强4210R处理器CPU、GeForce RTX2080Ti 11G显存 GPU，硬盘容量≥6 TB、内存≥128GB、液晶显示器≥23.8寸，带可刻录式光驱；4.2 标定球样品，1个；4.3 分辨率测试卡，1个；4.4 标准样品夹持器，1套；4.5 设备维护专用工具，1套；4.6 文档资料（设备操作手册、培训资料等）。

“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

人类赖以生存的空间被地球内禀磁场形成的磁层保护着，磁层的外边界称为磁层顶。近些年，研究人员发现磁层顶附近区域在软X射线波段是明亮的。软X射线的辐射机制是太阳风电荷交换（Solar Wind Charge Exchange，简称SWCX）过程，即太阳风中高价重离子和地球大气逃逸的中性成分发生碰撞，由激发态向基态跃迁的过程中发出光子。因此，太阳风能到达的区域就会辐射X射线，而X射线波段明亮和黑暗的交界线就是太阳风发生绕流的边界，即磁层顶。基于此，中国科学院和欧空局联合提出了太阳风-磁层相互作用全景成像卫星项目（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer，简称SMILE），对日下点附近的磁层顶、部分极尖区和地球极光进行成像探测，同时对磁场和等离子体进行原位测量，旨在揭示太阳风-磁层相互作用的基本模式，从系统尺度上深入认知太阳风-磁层-电离层耦合的基本物理过程。SMILE卫星计划于2024~2025年发射。在X射线二维图像数据和磁层物理规律的认知之间起到桥梁作用的是如何由图像数据分析出三维磁层顶位形。这是SMILE项目预先研究的核心内容。近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士与孙天然研究员总结了由磁层X射线二维图像反演三维磁层顶的四种方法，给出了磁层成像数据分析的“工具箱”。该综述文章总结了切向拟合法（Tangent fitting approach, TFA，图1）[Sun et al., 2020]、边界拟合法（Boundary Fitting approach, BFA）[Jorgensen et al., 2019a, 2019b]、切线方向法（Tangent direction approach, TFA）[Collier and Connor, 2018]、和计算机断层分析法（Computerized tomography approach, CTA）[Jorgensen et al., 2022, Wang et al., 2022]这四种方法的优点和局限，指明了各自的适用范围，如表1所示。天气室徐荣栏研究员、孙天然研究员与美国新墨西哥理工大学的Anders Jorgensen等人合作，给出了磁层顶反演的CT方法。针对CT方法，天气室孙天然与系统室李大林副研究员、博士生王荣聪等人开展合作，采用人工智能技术对轨道未能覆盖的观测角度进行图像补全，反演得到三维磁层顶位形，如图2。孙天然及合作者对磁层X射线研究进展进行了综述。表1 磁层成像数据分析的“工具箱”[摘自Wang and Sun, 2022]图1 采用切向拟合法TFA，由磁层X射线图像（左）反演三维磁层顶（右）[摘自Sun et al., 2020]图2 人工智能应用于CT反演方法。左、中图为X射线辐射率在子午面和赤道面的等值线，右图为三维磁层X辐射率反演结果 [摘自Wang et al., 2022]该系列成果发表在空间物理权威期刊Geoscience Letters、Journal of Geophysical Research等杂志上。研究得到了基金委重点项目、中国科学院前沿科学重点研究计划、空间科学战略先导计划、中国科学院研究基金和国家重点实验室专项研究基金、青促会优秀会员资助计划等的支持。References：1.Wang, Chi*, and Sun, Tianran* Methods to derive the magnetopause from soft X？ray images by the SMILE mission, Geoscience Letters, 9:30, 2022, https://doi.org/10.1186/s40562-022-00240-z 2.孙天然*，张颖洁，韦 飞，彭松武，尧中华，王赤*，地球磁层软X射线信号的辐射特性研究，地球与行星物理论评，2022，accepted3.Wang, Rongcong, Li Dalin*, Sun Tianran*, Peng Xiaodong, Yang Zhen, Wang J.Q., A 3D Magnetospheric CT Reconstruction Method Based On 3D GAN and Supplementary Limited-Angle 2D Soft X-ray Images. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, accepted4.Jorgensen, A. M.*, Xu, R., Sun, T., Huang, Y.,Li, L., Dai, L., & Wang, C. A theoretical study of the tomographic reconstruction of magnetosheath X-ray emissions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, 127, e2021JA029948. https://doi.org/10.1029/2021JA0299485.Sun T.*, Wang C.*, Connor H. K., Jorgensen A. M., Sembay S Deriving the magnetopause position from the soft X-ray image by using the tangent fitting approach Journal of Geophysical Research: Space Physics 2020, 125, e2020JA028169. https://doi.org/10.1029/2020JA0281696.Sun T. R.*, Wang C.*, Sembay S. F., Lopez R. E., Escoubet C. P., Branduardi-Raymont G., et al. Soft X-ray imaging of the magnetosheath and cusps under different solar wind conditions: MHD simulations Journal of Geophysical Research: Space Physics 2019, 124. https://doi.org/10.1029/2018JA026093 7.Jorgensen A. M., Sun T.*, Wang C., Dai L., Sembay S., Wei F., et al. Boundary detection in three dimensions with application to the smile mission: The effect of photon noise Journal of Geophysical Research: Space Physics 2019a, 124. https://doi.org/10.1029/2018JA0259198.Jorgensen A. M.*, Sun T.*, Wang C., Dai L., Sembay S., Zheng J. H., Yu X. Z. Boundary Detection in Three Dimensions With Application to the SMILE Mission: The Effect of Model-Fitting Noise Journal of Geophysical Research: Space Physics 2019b, 124. https://doi.org/10.1029/2018JA026124

p 　　欧洲X射线自由电子激光装置(XFEL)于2017年9月1日在德国汉堡大都市区正式投入使用，德国教研部(BMBF)部长万卡与参与研发和建设的其他11国代表共同按下首次试验的启动按钮。 br/ /p p 　　欧洲XFEL装置建设项目2003年由德国科学理事会(WR)提议设立，于2009年启动，造价约为12亿欧元，并拥有延伸至德国石勒苏益格-荷尔斯泰因州的3.4千米隧道系统，是全球最大的X射线激光设施。每秒可发射多达2.7万个脉冲，较世界上其他五个同类装置的效率增加200倍。该装置的成功研制，将有助于人类开辟全新研究领域、突破当前的知识界限。例如，借助该装置能更准确观察物质材料的内部结构、像电影的“慢镜头”一样记录化学反应过程、在纳米粒子中制作三维图像、解开处于非结晶状态的病原单分子结构之谜以及推动新药和新材料的研发。 /p p 　　除了德国，参与XFEL装置项目建设的其他11个欧洲国家分别是丹麦、法国、英国、意大利、波兰、俄罗斯、瑞典、瑞士、斯洛伐克、西班牙和匈牙利。德国提供了全部造价的58%，是出资最多的国家，其次是俄罗斯和法国。BMBF已投入约7.6亿欧元用于与此相关的研究项目。目前利用该装置从事研究工作的科学家来自46个国家，还有一些全球顶尖科学家正在申请。 /p p br/ /p

据中国科学院网站消息，日前，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(简称：瞬态室)超分辨成像团队研制成功双光子激发激光扫描实时立体显微镜，首次把基于双目视觉的立体显微方法和高分辨率双光子激发激光扫描荧光显微技术结合在一起，实现了对三维荧光样品的高速立体成像，相关研究成果发表在2016年12月刊的PLOS ONE 杂志上，并被授权国家发明专利(专利号ZL201210384895.4)。　　当代生命科学研究对光学显微技术提出了越来越高的要求——更高的空间分辨率、更大的成像深度、更快的成像速度。特别是对于生物活体显微成像来说，生物组织对光的散射使得噪声大大增强，严重影响了空间分辨率和成像深度。为了提高成像深度，双光子激发激光扫描荧光显微技术自20世纪90年代提出后被广泛应用于神经成像等领域，但是其逐点扫描的成像方式严重制约了成像速度。因为高分辨率光学显微镜的景深很小，要对样品完成三维成像，通常需要数十层乃至上百层的二维图像进行叠加重建得到，图像采集和处理一般需要数分钟甚至数十分钟，要快速实时地获取和显示三维图像非常困难。　　瞬态室超分辨成像团队在研究员姚保利和叶彤的带领下，以双目视觉原理和贝塞尔光束产生扩展焦场为基础，提出了由四个振镜组成的激光束立体扫描装置，实现了对贝塞尔光束的横向位置和倾角共三个维度的控制，突破了只有两个自由度的传统激光扫描不能实时切换视角的限制。通过对四振镜立体扫描装置的优化设计和控制，实现了对贝塞尔光束的三自由度快速扫描，可在毫秒量级进行双视角切换，从而解决了激光扫描立体显微成像系统中双光路同时成像的技术难题，首次实现了基于双视角实时激光扫描的立体显微成像和显示系统。该系统可对样品进行立体动态成像和实时双目立体观测，其三维成像速度比传统的逐点扫描方式提高了一到两个数量级。该双光子立体显微系统为活体生物的三维实时成像和显示提供了一种新的观测工具。　　“它可以让我们像观看立体电影一样实时地观测动态的三维微观世界，无需光切片，无需耗时的三维图像重构。”杨延龙如此总结这套系统的特点，他负责设计和完成了其中的立体扫描和成像显示的关键部分。“双目视觉成像是非常高效的三维信息获取方式，但是现有的体视显微镜，空间分辨率和景深互相制约，我们利用三自由度扫描的贝塞尔光束进行非线性荧光激发突破了这种限制。”　　这项研究先后在中科院“百人计划”和国家自然科学基金的支持下，从基本原理验证、关键技术突破，到原理样机完成，经历了从基础研究到应用集成的各个环节。目前，课题组正在与国内外相关科研机构开展生物医学应用的合作研究，期望尽快将该项技术应用于生物活体三维快速成像和显示领域。花粉和荧光小球样品的红蓝立体图像(可佩戴红蓝眼镜观看)

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“我预计今年年底提前博士毕业，虽然我的德国导师希望我继续留下做博后，但我更希望能回到老家江苏做科研。而在最近发表的论文里，我和所在团队首次将定量相位成像技术，用于超细光纤显微内窥镜中，实现了最高 1 微米的分辨率、以及纳米级的三维重建。并通过光纤实现无透镜光场成像，借此制备出一款新型无透镜光纤显微内窥镜。”德累斯顿工业大学生物医学计算激光系统能力中心博士生孙佳伟 表示。▲图 | 孙佳伟（来源：孙佳伟 ）此次提出的无透镜光纤显微内窥镜，具备 1000 倍的放大倍率，可通过图像重建让医生“看清”脑部神经元或是组织表面的细胞。（来源：Light: Science & Applications）研究中，他和同事使用无透镜光纤显微内窥镜，对无标记的癌细胞进行高对比度成像，让光纤内窥镜能进一步对体内癌症组织表面进行细胞级的高分辨率成像。这意味着，人们可通过此内窥镜尽早找出病变的癌细胞，实现癌症的早期预警。同时，鉴于光纤内窥镜探针只有头发丝量级，因此可在极大降低创口大小的同时，深入体内的狭小部位，如细微血管、肺泡、耳蜗等进行显微成像。另外，其所搭载的系统基于量产的多芯光纤，可做一次性的内窥镜探头，用完后可以轻松换上新的光纤以作为探头，从而彻底消除交叉感染的风险。据介绍，内窥镜成像（endoscopy）作为临床常用的体内成像方法之一，其常规直径至少在几十毫米以上，且图像放大倍率只有大约 50 倍，只能看清组织大概的形貌。而孙佳伟 的无透镜光纤显微内窥镜的探测端，没有使用任何透镜，探针的直径只有 0.35 毫米，大约在头发丝量级，能大大减轻创口的大小。对于神经外科手术来说，常常需要在大脑或脊柱开非常小的切口，进而通过内窥镜和特殊器械，进行复杂精密的手术。而内窥镜的尺寸越小，手术对患者造成的额外损伤就越小，患者术后恢复得也就越快。▲图 | 新型无透镜光纤显微内窥镜，探针直径仅为 0.35 毫米（来源：孙佳伟 ）多年来，荧光显微成像已成为生物医学中广泛使用的成像方法，通过对样品进行荧光标记、激发和检测，可对荧光标记的样品做以选择性成像，从而提升成像的对比度。此前市面上最新的光纤显微内窥镜，是通过共聚焦扫描来实现体内荧光显微成像，但其需要昂贵的光学系统和复杂的校准流程，同时还得预先对体内组织进行特殊荧光染色。然而，某些情况下荧光剂会影响组织正常功能，用后也不易去除。因此，无标记成像技术对内窥镜尤为重要。定量相位成像，是一种无标记显微成像技术。其原理是通过组织中不同成分的微小相位差，来实现生物医学样品的高对比度成像。从技术手段来讲，进一步重建光场的相位信息，还能实现纳米级轴向分辨率的三维成像，这让定量相位成像也常被用于芯片表面检测。但是，此次提出的光纤内窥镜系统，使用量产化的多芯光纤束作为体内成像探针。虽然多芯光纤束只有三根头发丝那样粗，里面却包含着一万根单模的光纤芯，每一根光纤芯都能独立传播光学信号，而把这一万根光纤芯的光学信号组合起来，就相当于有了一万个能成像的像素。但是，光在每一根纤芯中的传播距离有着微小的差别，而光波的相位又非常敏感，即使是 10 纳米以下的光传播距离差，也会引起可观的相位变化。由于光在这一万根光纤芯中的传播距离各不相同，这会带来非常严重的相位失真，就像把样品的光学信息进行了“加密”，故在多芯光纤束中实现定量相位成像，是一个颇具挑战性的难题。（来源：Light: Science & Applications）找到“解码”光场的“钥匙”那么，如何从“加密”光场信息中恢复样品信息呢？孙佳伟 等人提出一种名为远场散斑转换的算法，可从光纤输出端的散斑中，重建出光纤中的固有相位差，这就相当于拿到了“解码”光场的“钥匙”。这样一来，当使用无透镜光纤显微内窥镜去探测样品时，用这把“钥匙”来“解码”样品的光场信息，就能得到样品的相位信息。另外，鉴于可通过光纤显微内窥镜重建完整的光场信息，这时只用一张散斑图像重建出不同深度的图像，即可实现数字重新对焦，并能把无透镜光纤显微内窥镜的工作距离从 10 微米提到 10 毫米。得益于这样的数字对焦，以后医生们再也不用手动调整焦距，通过程序即可实现实时数字对焦，让无透镜光纤显微内窥镜的易用性得到极大提升。近日，相关论文以《通过超薄无透镜光纤内窥镜进行定量相位成像》（Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope ）为题发表在 Light: Science & Applications 上。▲图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）孙佳伟 担任一作兼通讯，德累斯顿工业大学测量和传感器系统技术实验室于尔根W查斯克（Juergen W. Czarske ）教授、以及同一实验室的内克塔里奥斯库库拉基斯（Nektarios Koukourakis ）博士担任共同通讯作者。该工作还得到清华大学精密仪器系曹良才 教授和马克思普朗克光科学研究所约亨顾克（Jochen Guck ）教授的指导。其中一位审稿人评价称，“论文中的实验结果令人信服，清楚地标明该方法能够对样品进行定量相位成像，并验证了三维成像的可能性。该项新技术开辟了在超细内窥镜进行相位成像的广阔前景。”另一个审稿人表示，“作者使用一种全新的计算重建算法，以便远场强度图像获得相位信息，实现了基于光纤的定量相位成像。”（来源：Light: Science & Applications）据悉，该研究主要由德国科学基金会支持，旨在通过自适应控制多芯光纤的输出光场，精准控制癌细胞的旋转。与此同时，对细胞进行全息成像，最终得到癌细胞完整的三维重建图。为了实现在纳米级精度下，用光精准地去控制癌细胞，孙佳伟 耗时一年搭建出一个非常复杂且昂贵的光学系统，单单研发实验器件的控制程序，他就写了近一万行代码。后来，又泡在实验室几个月，终于通过光纤光场调控，对细胞多轴旋转做以实时控制。这项成果的实现也是世界首次，相关论文在更早之前已发表在 Biomedical Optics Express 上 [1]。▲图 | 利用光纤输出光场，癌细胞进行光学无接触操控，实时控制细胞旋转轴（来源：孙佳伟 ）他说：“当时有一个误区，觉得越复杂的系统越高级，固然系统越复杂，需要解决的技术难题也就越多，其中的技术含量也就越高，但是繁杂的系统也就意味着高成本、高投入，难以获得广泛的应用。很多经典的研究，后人看起来其实只是解决了一个很小的问题，但最难的是从零到一的突破过程。”舍弃复杂昂贵的光学器件，只用一根光纤、一个相机和一些基本光学元件，在有限的成本内，通过程序提升成像性能。所以他一直在思考，如何把光学系统化繁为简？于是就有了关于此次论文的初步想法[2]。正好那时，清华大学精密仪器系曹良才 教授课题组的吴佳琛 博士来德国交流，曹教授团队在计算光学领域有着很深的造诣。“在和佳琛沟通了我的想法之后，他也对此特别感兴趣。因为光纤输出端的散斑太过复杂，一开始的算法效果并不理想。后来我们不断改进算法，终于在有天深夜，佳琛激动地跟我说算法成功了。我连忙从床上蹦下来打开电脑，把他的算法和我的代码整合起来，那天晚上兴奋地没怎么睡着。第二天一大早就立马赶去实验室验证算法，结果发现真的能在实验中完美重建出相位图像。”孙佳伟 说。（来源：Light: Science & Applications）计划将光纤显微内窥镜用于临床研究另据悉，因为光学仪器大多都非常精密，外界的微弱干扰都有可能对实验结果产生影响。因此为了减小外部震动，孙佳伟 所在的实验室专门建在地下一层。但是，他的实验室离马路比较近，每次有大型车辆经过的时候，都能在仪器数据上观测到微纳级的抖动。为了得到最佳的实验数据，那几周他每天等到半夜路上没有车的时候，一个人在漆黑的实验室里做实验。功夫不负有心人，最后的实验结果也非常稳定。家庭，也给他提供了软动力支持。他说：“我老婆虽然没有直接参与此次研究，但每次我的实验没有进展、焦头烂额的时候，她总能耐心地安慰我、鼓励我，等我焦躁的心安静下来后，理性地帮我梳理思绪找到问题所在。”据介绍，孙佳伟 是江苏南通人。本科就读于西北工业大学信息对抗技术专业。读研时，他来到德国留学，在波鸿大学读激光与光子学专业。那时，他开始接触到光学实验，并开始从事数字全息成像方面的研究。其说道：“一开始只是单纯觉得激光特别酷，但在实验室待久了之后，我深刻体会到光学实验是一个慢工出细活的过程，慢慢地也喜欢上泡在实验室的感觉。我的硕士论文获得了接近满分的成绩，导师把我推荐到现在的课题组继续攻读博士，我也得以继续从事光学成像的研究。”（来源：Light: Science & Applications）在德国读博更像是工作，他作为一名博士生的同时也是学校雇员，目前其还担任助理研究员一职，要承担一定的教学任务，以及指导本科生和硕士生的毕业论文。为此，孙佳伟 还开设了一门叫做“数字全息技术”的实验课程。疫情期间，他把实验课搬到线上，通过视频给学生呈现光学实验的过程，同时也在线上辅导学生处理数据。当下，他的重心依然是科研。目前的图像重建算法对电脑的硬件要求比较高，后续他计划使用人工智能提升算法效率，让图像重建程序在普通笔记本电脑上也能轻松运行，并能实时重建三维图像。同时，他和导师也申请了与所在大学的附属医院的合作项目，计划进一步将光纤显微内窥镜用于临床研究。参考资料：1.Sun J, Koukourakis N, Guck J, et al. Rapid computational cell-rotation around arbitrary axes in 3D with multi-core fiber[J]. Biomedical Optics Express, 2021, 12（6）: 3423-3437.https://doi.org/10.1364/BOE.4230352.Sun J, Wu J, Wu S, et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope[J]. Light: Science & Applications, 2022, 11（1）: 1-10.https://doi.org/10.1038/s41377-022-00898-2

p 　　日本熊本大学近日发布消息称，该大学与多家日本大学和研究机构组成的联合团队利用包含各类波长中子射线的“白色”中子束（所谓“白色”的比喻，是因为白色可见光是由各种不同波长的光波所构成）开发出新型全息显微镜，可用于在原子水平对半导体、传感器等高性能材料中添加的微量轻元素进行精密结构分析。其中子束来自位于茨城县东海村的“大强度质子加速器”（J-PARC）。这项成果的突破点在于： /p p 　　一是能够分析微量轻元素掺杂物。以往采用的X射线及电子束，对于氢、锂、氧等轻元素的敏感度很低，无法用于成像。而上述轻元素在今后开发新能源材料时，将有重要用途。 br/ 　　二是对破解功能性材料的作用机理具有重大意义。在研发过程中，团队成功对萤石结晶中掺入稀土元素铕（Eu）的情况进行了验证，通过超精密成像，对稀土元素周边的特殊结构成功进行了解析。萤石是放射线传感器中的核心材料。这是世界上首次对这种结构进行解析，这一技术将有望大幅度提高放射线传感器的性能。 /p p 　　此外，由于利用这种“白色”中子射线对掺杂物进行研究时，只需进行一次拍照即可对100种波长形成全息图，从而极大地缩短了研究周期。今后，通过对各类功能材料调整掺杂物成份，进行成像分析，将可能带来众多其它材料性能的重大突破。 br/ 　　参加这一工作的有熊本大学、名古屋工业大学、茨城大学、广岛市立大学、高辉度光科学研究中心等九个单位的研究人员。 /p

近日，中国科学院物理研究所微米X射线三维断层成像仪采购项目发布中标公告，卡尔蔡司以475.6万元中标。一、项目编号：TC220805G（招标文件编号：TC220805G）二、项目名称：中国科学院物理研究所微米X射线三维断层成像仪采购项目三、中标（成交）信息供应商名称 货物名称 货物品牌 货物型号 货物数量 货物单价(元) 卡尔蔡司（上海）管理有限公司 微米X射线三维断层成像仪（X射线显微镜） Zeiss Xradia 515 Versa X射线显微镜 1 4756000 四、招标技术规格1.1 设备用途：设备可对对各类锂电池材料（软包电池，电池极片）、金属材料、油气地质及半导体样品(失效分析)进行高分辨无损三维成像及组织表征。设备采用闭管透射式X射线源、独特的二级放大架构、独有的衬度技术、配合机器的三维数据采集、控制、重构及可视化软件以三维立体图像及二维虚拟切片的形式，清晰、准确、直观地展示各类样品内部的亚微米级及以上的组织形貌（包括样品内部组织结构、内部孔隙、微裂纹等均可清晰展示）。1.2 工作条件：（1）电源：单相 220V（±5%）、50Hz、15A（2）温度：10～25℃, 温度波动＜2℃（3）环境湿度：≤70%，无凝结*2.1 分辨率2.1.1 最高空间分辨率：最高三维空间分辨率≤700nm，需提供标样的测试结果，否则视为不响应；2.1.2 最小可实现的体素（Voxel Size）≤300 nm，需提实际样品的测试切片照片，否则视为不响应；2.1.3 能够满足大样品高分辨得测试需求，须具备对锂电池材料中的软包电池实际样品局部进行高分辨率扫描成像，针对≥5cm 宽的软包电池样品的中心位置，可实现≤ 1μm 的体素分辨率的扫描成像能力，以满足采购人单位的科研需求。2.2 三维组织表征及重构2.2.1 无损伤地对样品进行三维组织表征，可获得样品的三维组织形貌及不同角度、不同位置的虚拟二维切片组织形貌信息。不需制样或只需简单制备，不需真空观察环境，不会引入人为缺陷；#2.2.2 能够自动对样品多个(20)不同区域进行 3 维成像扫描和重构；#2.2.3 具有吸收衬度和可调节相位传播衬度两种衬度模式，可以对包括高原子序数和低原子序数在内的各种材料都能获得高衬度图像。能够清楚区分样品内的不同组织；2.2.4 支持纵向拼接技术，通过纵向拼接扫描结果获得更高视野的数据；具有支持宽视场模式的物镜探测器，具备更宽的视野；*2.2.5 2000 张投影，重构 1k × 1k × 1k 图像的时间少于 5 分钟；2.2.6 支持 180°+Fan 扫描模式，从而实现快速扫描成像。2.3 光源与滤色片及支架*2.3.1 高功率微焦点 X 射线源：采用密封式透射 X射线源，功率≥10W，机器可以不间断连续扫描样品时间达 1 周以上（即 7 x 24 小时）。在用户日常使用过程中无需更换光源灯丝。最大电压≥155kV，最低电压≤30kV，连续可调；2.3.2 配备滤色片转换支架，包含不低于 10 个适用于不同能量段扫描的滤片。2.4 探测器*2.4.1 探测器规格为高对比度平板探测器或更高级的探测器系统，可实现二维有效探测面积≥200mm×200mm，需提供测试方案和样品测试结果，否则视为不响应。像素数量≥2000（长）×2000（宽）；2.4.2 具备大视场≤0.4X 光学放大模式，能够实现大视野宽场模式；2.4.3 探测器可移动范围不小于 290mm。2.5 样品台及样品室#2.5.1 全电脑软件控制高精度 4 轴数控可编程马达样品台，具备超高的样品移动精度；#2.5.2 样品台 X 轴运动范围 50mm；Y 轴运动范围 100mm；Z 轴运动范围 50mm；2.5.3 样品台旋转运动范围：360 度旋转；*2.5.4 样品台最大承重≥10kg（X 射线能穿透的情况下）；*2.5.5 样品台可承受样品尺寸≥100 cm2；*2.5.6 为了防止 X 射线辐射泄漏、保护仪器操作人员，设备须采用全封闭式铅房设计，样品室内配备可见光相机，确保操作人员无需通过观察玻璃窗即可监控和操作样品；*2.5.7 系统具备样品自动防撞装置，系统通过快速获取样品轮廓信息，设定硬件工作极限位置，防止因为操作不当样品和探测器、源相撞，避免损坏硬件和样品。2.6 仪器控制与数据采集、重构、可视化及分析系统*2.6.1 具备三维数据采集及控制软件，可编程软件系统，支持三维重构，具备快速抓拍功能；2.6.2 全数字化仪器控制，计算机控制工作站；2.6.3 支持原始数据查看，图像标准特征显示（如亮度、对比度、放大等）、注释、测量等；2.6.4 可以进行基本图像测量，如图像计算、滤镜等；#2.6.5 具备快速三维数据重构软件，软件界面友好，采用先进的解析算法以保证重构时间快；2.6.6 具备三维数据可视化软件，展示三维重构结果，包括虚拟断层，着色、渲染、透视等，并实现基本分析功能和注释；#2.7 数据处理工作站不低于以下配置Microsoft Windows10 Pro 操作系统Dual Eight Core CPUCUDA-enabled 3D GPU12 TB（4×3 TB）硬盘容量，RAID-532GB 内存可刻录式光驱24寸液晶显示器。2.8 样品座及标样2.8.1 对中和分辨率测试标样；2.8.2 针钳式样品座；2.8.3 夹钳式样品座；2.8.4 夹持式样品座；2.8.5 高铝基座样品座；2.8.6 高精度针钳式样品座。2.9 其他硬件2.9.1 人体工学操作台；2.9.2 四门式防辐射安全屏蔽罩，配备辐射安全连锁装置和“X-ray on”指示器；2.9.3 大移动范围、高精度花岗岩工作台。2.10 可扩展功能与双束系统、场发射电镜的数据相互关联，可将 CT 所获得的数据文件格式如 CZI, RAW，TIFF，VTK，DICOM 等格式的二维图像和 TXM 3D X-ray volumes 体量数据，导入到电镜或者双束系统的软件中，实现亚微米级到纳米级的数据关联以及数据处理。

3月31日，先临三维2022春季新品发布会成功举办，本次发布会以“扫描扩界，精彩可见”为主题，发布两款产品：→ 面向工业级用户的天远品牌FreeScan UE Pro多功能激光手持三维扫描仪→ 面向专业级用户的全新系列Transcan C可变分辨率彩色3D扫描仪高精度三维扫描体验再升级！先临三维持续以精益求精的态度和不断迭代升级的活力，和用户一起在3D数字化时代浪潮中携手并行，一往向前。 “精”——计量水平，精益求精工业级设备，为您提供可靠的工业测量结果 工业级产品新成员—— 天远FreeScan UE Pro多功能激光手持三维扫描仪 FreeScan UE Pro作为天远FreeScan UE系列的新成员，在保持FreeScan UE高精度、稳定的重复性精度以及轻量化设计的同时， → 其独特优势在于：三种扫描模式1.高速扫描，26条交叉激光线，210万点/秒的扫描速度，快速获取样件的整体数据；2.精细扫描，5条平行激光线，加上高分辨率相机，完整抓取工件细小特征；3.深孔扫描，1条单线激光线，获取深孔数据，获取深度达深孔直径的3倍左右。 内置双目摄影测量系统无需布置编码点，快速锁定大场景目标框架空间位置，实现大体积物体三维扫描全局精度控制。- 高速扫描 -- 扫描细节数据 -- 深孔扫描 -- 路亚艇(长6.38米，宽2.46米)三维扫描数据 -由此，FreeScan UE Pro实现了一扫俱全，小大由之，小到空气开关外壳装配孔，大到飞机，均可帮助客户快速获取准确、完整的高精度三维数据，为用户提供可适用于不同尺寸扫描场景的应用方案。 “在工业级三维扫描应用中，我们拥有天远FreeScan系列、OKIO系列等高精度三维扫描仪以及DigiMetric® 摄影测量系统，能够为客户提供针对不同应用需求的三维扫描技术支持。同时，我们发现，在一些应用场景中，客户需要将这些功能融合于一台设备，来高效地完成作业，基于此，我们研发了FreeScan UE Pro，支持多功能使用 。同时在设计中，我们采用的是双目摄影测量的方式，无需编码点，减少了客户的准备时间，帮助客户提高工作效率，享受良好的应用体验。”——FreeScan UE Pro研发经理 李经理 “彩”——彩色纹理，须眉毕现专业级设备，为您准确还原彩色三维数据 专业级产品新成员—— Transcan C可变分辨率彩色3D扫描仪 Transcan C是由先临三维基于高精度3D数字化技术研发的一款主打“可变分辨率”的彩色3D扫描仪。高品质彩色三维数据，可用于产品设计、虚拟展示、数据存档等多个应用领域。 → 其独特优势在于：1200万像素彩色专业相机，高度还原物体色彩纹理信息可调节扫描范围，灵活切换扫描范围，匹配不同物体扫描需求可变混合分辨率，高中低三种模式自由选择,重现物体精致细节“2021年是‘元宇宙’元年，这也预示着下一阶段互联网将走向3D图形化，但想要拥有极高的沉浸式体验，就需要构建一个无限逼近现实世界的虚拟场景。专业级的三维扫描作为这一应用的底层技术，也需要不断升级，以获取更好的实物彩色三维数据。基于此，先临三维研发Transcan C，拥有1200万像素彩色专业相机，能够帮助用户获取更好的色彩纹理信息。在研发过程中，研发人员为了提升设备的易用性，设计了多范围自由切换和可变混合分辨率，帮助客户能够更加灵活、高效地应用。”——Transcan C产品经理 何经理 先临三维专注3D数字化技术10余年，致力于高精度3D数字化技术的普及化应用。不管是工业级还是专业级设备，先临三维不断丰富自身产品线的同时，始终将“为用户创造价值“放在首位。这两款产品，是先临三维基于客户实际使用需求设计研发，满足了不同领域用户对于三维扫描仪功能特征以及应用场景的多样化需求。FreeScan UE Pro 预约通道Transcan C 预约通道扫描扩界，精彩可见。先临三维也将持续升级设备，完善产品线，以稳定高性能的设备+全球本地化服务+细分领域的深入推广，让更多的客户能够更好地使用高精度3D数字化技术！