【虹科案例】虹科高速数字化仪实现细胞分选的突破

基于图像的高通量细胞分选仪

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细胞分选在分子生物学、病理学、免疫学和病毒学研究中发挥着重要作用。它能够根据细胞独特的化学特征和形状快速搜索和分类细胞。由于过于耗时费力或是必须要在速度和准确性之间进行权衡，传统方法会受到一定限制。东京大学化学系开发了一种智能图像激活细胞分选仪 (IACS)，其核心是一台超高速光谱数字化仪。这是世界上第一个高通量、基于图像的细胞分选技术，可以以前所未有的通量和准确性处理细胞。该技术用途广泛，有望在生物、制药和医学科学中实现基于机器的科学发现，特别是在癌症领域，这项技术能够实现对癌症细胞和非癌症细胞之间的细微差异进行分类。

实时机器智能排序方法

IACS 使用实时机器智能技术来提供全新的数据管理基础设施，以前所未有的速度对细胞进行准确分类。IACS 将高通量细胞成像、细胞聚焦和细胞分选与独特的软硬件数据管理基础设施相结合。它利用了许多不同的技术，包括光学、微流体、电子学、力学和数据处理。该系统灵活且可扩展，还为数据采集、数据处理、决策制定和分拣驱动提供实时、自动化操作。事实上，即使使用复杂的学习算法，每个单元只需 32 毫秒即可完成整个过程！

IACS 的关键是处理图像构建部分使用了同样在东京大学开发的频分复用 (FDM) 显微镜。FDM 显微镜可以对以 1 m/s 流动的细胞进行连续、高速、无模糊、灵敏的明场和双色荧光图像采集。这是实现系统每秒约 100 个细胞的突破性处理速率所必需的。

从 FDM 采集光电二极管数据

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虹科Spectrum PCIe 数字化仪 M4i.2212-x8，4 通道 1.25 GS/s 和 8 位分辨率

这种超高速细胞分选的另一个关键是获取来自 FDM 中雪崩光电二极管的信号。这是通过将信号传递到以1.25 GS/s 的采样率运行的虹科 Spectrum M4i.2212-x8数字化仪（图 2）来完成的。然后，采集的数据通过板卡的高速 PCIe 总线传输到 PC，在 PC 中可以分离包含在数字化波形中的空间轮廓。数字化仪的高速 PCIe 接口允许该过程以高事件率连续运行。分离过程包括在频域工作，通过执行傅里叶变换，揭示每个信号不同的调制频率。

IACS细胞分选系统

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完整的IACS系统由五个关键部分组成:注入IACS的悬浮细胞由流体动力聚焦器聚焦到单个流中，由FDM显微镜成像，由实时智能图像处理器分析，在计算过程中由声学聚焦器保持在单个流中，由图像处理器决策触发的双膜推拉细胞分选机进行排序。整个过程是完全自动化的并且能够实时操作。

图像构建完成后，使用 10 Gb 以太网将结果传输到 IACS 的图像分析和时间管理阶段。这里有一个现场可编程门阵列 (FPGA)、三个中央处理器(CPU)、一个图形处理单元 (GPU) 和一个网络交换机，它们都结合起来使用神经网络上的深度学习技术执行必要的图像处理和决策。

虹科Spectrum Instrumentation 的首席技术官 Oliver Rovini 解释说：“ 这是我们的超高速数字化卡片在使图像识别系统获取和处理图像方面发挥关键作用的一个例子。系统设计人员希望创建实时处理图像的解决方案，而我们的超高速数字化仪可以通过工厂自动化和过程控制等技术实现这一目标。”