基于圖像的高通量細(xì)胞分選儀

Hongke

細(xì)胞分選在分子生物學(xué)、病理學(xué)、免疫學(xué)和病毒學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。它能夠根據(jù)細(xì)胞獨(dú)特的化學(xué)特征和形狀快速搜索和分類細(xì)胞。由于過(guò)于耗時(shí)費(fèi)力或是必須要在速度和準(zhǔn)確性之間進(jìn)行權(quán)衡，傳統(tǒng)方法會(huì)受到一定限制。東京大學(xué)化學(xué)系開(kāi)發(fā)了一種智能圖像激活細(xì)胞分選儀 (IACS)，其核心是一臺(tái)超高速光譜數(shù)字化儀。這是世界上第一個(gè)高通量、基于圖像的細(xì)胞分選技術(shù)，可以以前所未有的通量和準(zhǔn)確性處理細(xì)胞。該技術(shù)用途廣泛，有望在生物、制藥和醫(yī)學(xué)科學(xué)中實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，特別是在癌癥領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)癌癥細(xì)胞和非癌癥細(xì)胞之間的細(xì)微差異進(jìn)行分類。

實(shí)時(shí)機(jī)器智能排序方法

IACS 使用實(shí)時(shí)機(jī)器智能技術(shù)來(lái)提供全新的數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)設(shè)施，以前所未有的速度對(duì)細(xì)胞進(jìn)行準(zhǔn)確分類。IACS 將高通量細(xì)胞成像、細(xì)胞聚焦和細(xì)胞分選與獨(dú)特的軟硬件數(shù)據(jù)管理基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合。它利用了許多不同的技術(shù)，包括光學(xué)、微流體、電子學(xué)、力學(xué)和數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)靈活且可擴(kuò)展，還為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、決策制定和分揀驅(qū)動(dòng)提供實(shí)時(shí)、自動(dòng)化操作。事實(shí)上，即使使用復(fù)雜的學(xué)習(xí)算法，每個(gè)單元只需 32 毫秒即可完成整個(gè)過(guò)程！

IACS 的關(guān)鍵是處理圖像構(gòu)建部分使用了同樣在東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的頻分復(fù)用 (FDM) 顯微鏡。FDM 顯微鏡可以對(duì)以 1 m/s 流動(dòng)的細(xì)胞進(jìn)行連續(xù)、高速、無(wú)模糊、靈敏的明場(chǎng)和雙色熒光圖像采集。這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)每秒約 100 個(gè)細(xì)胞的突破性處理速率所必需的。

從 FDM 采集光電二極管數(shù)據(jù)

Hongke

虹科Spectrum PCIe 數(shù)字化儀 M4i.2212-x8，4 通道 1.25 GS/s 和 8 位分辨率

這種超高速細(xì)胞分選的另一個(gè)關(guān)鍵是獲取來(lái)自 FDM 中雪崩光電二極管的信號(hào)。這是通過(guò)將信號(hào)傳遞到以1.25 GS/s 的采樣率運(yùn)行的虹科 Spectrum M4i.2212-x8數(shù)字化儀（圖 2）來(lái)完成的。然后，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)板卡的高速 PCIe 總線傳輸?shù)?PC，在 PC 中可以分離包含在數(shù)字化波形中的空間輪廓。數(shù)字化儀的高速 PCIe 接口允許該過(guò)程以高事件率連續(xù)運(yùn)行。分離過(guò)程包括在頻域工作，通過(guò)執(zhí)行傅里葉變換，揭示每個(gè)信號(hào)不同的調(diào)制頻率。

IACS細(xì)胞分選系統(tǒng)

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完整的IACS系統(tǒng)由五個(gè)關(guān)鍵部分組成:注入IACS的懸浮細(xì)胞由流體動(dòng)力聚焦器聚焦到單個(gè)流中，由FDM顯微鏡成像，由實(shí)時(shí)智能圖像處理器分析，在計(jì)算過(guò)程中由聲學(xué)聚焦器保持在單個(gè)流中，由圖像處理器決策觸發(fā)的雙膜推拉細(xì)胞分選機(jī)進(jìn)行排序。整個(gè)過(guò)程是完全自動(dòng)化的并且能夠?qū)崟r(shí)操作。

圖像構(gòu)建完成后，使用 10 Gb 以太網(wǎng)將結(jié)果傳輸?shù)?IACS 的圖像分析和時(shí)間管理階段。這里有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、三個(gè)中央處理器(CPU)、一個(gè)圖形處理單元 (GPU) 和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，它們都結(jié)合起來(lái)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的深度學(xué)習(xí)技術(shù)執(zhí)行必要的圖像處理和決策。

虹科Spectrum Instrumentation 的首席技術(shù)官 Oliver Rovini 解釋說(shuō)：“ 這是我們的超高速數(shù)字化卡片在使圖像識(shí)別系統(tǒng)獲取和處理圖像方面發(fā)揮關(guān)鍵作用的一個(gè)例子。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望創(chuàng)建實(shí)時(shí)處理圖像的解決方案，而我們的超高速數(shù)字化儀可以通過(guò)工廠自動(dòng)化和過(guò)程控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”