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)胞獨特的化學(xué)特征和形狀快速搜索和分類細(xì)胞。由于過于耗時費(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)方法會受到一定限制。東京大學(xué)化學(xué)系開發(fā)了一種智能圖像激活細(xì)胞分選儀 (IACS)，其核心是一臺超高速光譜數(shù)字化儀。這是世界上第一個高通量、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，這項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對癌癥細(xì)胞和非癌癥細(xì)胞之間的細(xì)微差異進(jìn)行分類。

實時機(jī)器智能排序方法

IACS 使用實時機(jī)器智能技術(shù)來提供全新的數(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)動提供實時、自動化操作。事實上，即使使用復(fù)雜的學(xué)習(xí)算法，每個單元只需 32 毫秒即可完成整個過程！

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)開發(fā)的頻分復(fù)用 (FDM) 顯微鏡。FDM 顯微鏡可以對以 1 m/s 流動的細(xì)胞進(jìn)行連續(xù)、高速、無模糊、靈敏的明場和雙色熒光圖像采集。這是實現(xiàn)系統(tǒng)每秒約 100 個細(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)

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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)胞分選的另一個關(guān)鍵是獲取來自 FDM 中雪崩光電二極管的信號。這是通過將信號傳遞到以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）來完成的。然后，采集的數(shù)據(jù)通過板卡的高速 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 接口允許該過程以高事件率連續(xù)運(yùn)行。分離過程包括在頻域工作，通過執(zhí)行傅里葉變換，揭示每個信號不同的調(diào)制頻率。

IACS細(xì)胞分選系統(tǒng)

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完整的IACS系統(tǒng)由五個關(guān)鍵部分組成:注入IACS的懸浮細(xì)胞由流體動力聚焦器聚焦到單個流中，由FDM顯微鏡成像，由實時智能圖像處理器分析，在計算過程中由聲學(xué)聚焦器保持在單個流中，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。整個過程是完全自動化的并且能夠?qū)崟r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 的圖像分析和時間管理階段。這里有一個現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、三個中央處理器(CPU)、一個圖形處理單元 (GPU) 和一個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，它們都結(jié)合起來使用神經(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：“ 這是我們的超高速數(shù)字化卡片在使圖像識別系統(tǒng)獲取和處理圖像方面發(fā)揮關(guān)鍵作用的一個例子。系統(tǒng)設(shè)計人員希望創(chuàng)建實時處理圖像的解決方案，而我們的超高速數(shù)字化儀可以通過工廠自動化和過程控制等技術(shù)實現(xiàn)這一目標(biāo)。”