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公用平台
 
 
分子影像重点实验室在设备和软件两个方面构建了三个开放共享科研平台,包括两个成像设备平台和一个软件计算平台,服务于分子影像相关的研究工作,产生了一批高水平的文章,并为所外单位提供共享服务,形成了典型应用。
 
在成像设备平台方面,实验室已经构建了国内在小动物分子影像方面最大的成像平台——多模态生物医学成像实验平台和国内在脑科学病理分析领域最高通量的场发射电镜集群——显微技术分析平台,两个平台涵盖了从宏观到微观的多尺度成像设备,可以实现肿瘤等重大疾病和脑科学关键问题的研究。目前这两个平台都已经加入中国科学院自动化研究所所级共享中心,为所内外科研用户提供平台支撑。两个平台共包含120余套不同模态的成像设备和生物医学实验仪器,价值1亿多元,其中50万以上的购置大型仪器设备16套,50万以上的自主研制大型仪器设备12套。目前大型仪器设备的平均使用率达到110小时/周,大型设备对所外的平均共享率达到30%左右,从2011年至今已经累计对外服务次数近1500次。
 
部分50万以上大型共享开放设备和软件平台情况列表如下:
 
 
 
 
 
小动物光学多模融合成像系统
规格型号:自主研发
设备用途:获取结构-代谢-功能信息,对肿瘤微环境分子分布空间异质性信息进行三维定量成像,对肿瘤微环境分子生物学信息的获取以及抗肿瘤药物的疗效定量评估
所属方向:方向一
 
 
 
 
高检测灵敏度光学成像系统
规格型号:IVIS Spetrum
设备用途:激发荧光、自发荧光、契伦科夫荧光分子成像,获取早期微小肿瘤生物分布信息
所属方向:方向一
 
 
 
 
小动物光声成像系统
规格型号:iTheralMedical MSOT128
设备用途:在体无创获取血氧蛋白、肿瘤乏氧等信息
所属方向:方向一
 
 
 
 
小动物磁共振成像系统
规格型号:AspectImaging M3
设备用途:小动物肿瘤、炎症、神经性疾病的磁共振成像
所属方向:方向一
 
 
 
 
小动物PET成像系统
规格型号:GENISYS4 PET
设备用途:能实现快速的小动物PET 成像,高灵敏获取小动物肿瘤代谢信息
所属方向:方向一
 
 
 
 
光学投影断层成像系统
规格型号:自主研发
设备用途:获取介观尺度器官和组织三维结构及动态发育信息
所属方向:方向一
 
 
 
 
光片照明显微成像系统
规格型号:Lavision Ultramicroscope II
设备用途:对透明样本进行高分辨率三维成像,快速获取神经联结、肿瘤血管网络等信息
所属方向:方向一
 
 
 
 
双光子-光片融合显微成像系统
规格型号:自主研发
设备用途:单神经元分辨率神经活动在体成像,用于脑肿瘤、神经性疾病研究
所属方向:方向一
 
 
 
 
场发射扫描电子显微镜
规格型号:SUPRA55
设备用途:用于生命科学、神经科学研究中生物样本超微尺度大规模数据的三维重构
所属方向:方向二
 
 
 
 
深紫外光学显微镜
规格型号:MX61-DUV
设备用途:采集不同放大倍率的光学显微图像,与场发射扫描电镜进行光电联合显微成像
所属方向:方向二
 
 
 
 
原子力显微镜
规格型号:Dimension EDGE
设备用途:亚纳米级分辨率扫描成像,可对肿瘤细胞表面形貌和生物力学特性进行高精度检测
所属方向:方向二
 
 
 
 
医学图像处理及辅助诊断软件平台
规格型号:自主研发 MITK/3DMed/Radiomics
设备用途:医学影像大数据的分割、配准、可视化等功能;基于影像大数据和多项影像特征,预测评估肿瘤的临床指标,辅助临床医生进行诊断
所属方向:方向二
 
 
 
 
光学分子影像手术机器人系统
规格型号:自主研发
设备用途:结合光学分子影像和医疗手术机器人技术,术中精准定位早期微小肿瘤病灶并实现精准手术治疗
所属方向:方向三
 
 
 
 
末端牵引式上肢康复机器人
规格型号:自主研发
设备用途:通过基于表面肌电信号获得患者的运动意图,从而更精确的辅助患者进行康复训练。
所属方向:方向三
 
 
 
 
坐卧式下肢康复机器人
规格型号:自主研发
设备用途:利用功能性电刺激和表面肌电信号等康复技术手段,实现被动、助力和主动等多种个性化智能化康复训练模式。
所属方向:方向三
 
 
多模态生物医学成像实验平台(图 0‑11)包含购置的小动物活体光学成像仪、小动物磁共振成像系统、小动物光声成像系统、小动物PET成像系统、体式荧光显微镜等不同模态、不同尺度的成像设备和生物医学实验设备。此外,多模态生物医学成像实验平台已经形成了完整的仪器设备自主研发体系,包含在中科院科研仪器研制项目资助下自主研制的4套大型成像设备,例如在宏观尺度进行化石等致密样本成像的225Kv-3D-微分辨ICT和450Kv-通用型ICT(项目号YZ200766)、宏观尺度进行活体成像的小动物光学和光声断层多模融合分子影像设备(项目号YZ201359)、介观尺度进行微小模式生物活体成像的四维在体光学投影断层成像系统(项目号YZ201164)和微观尺度进行单根神经元动态分析的三维实时在体神经功能回路成像系统(项目号YZ201457)。此外,在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制专项(基金号81227901)的资助下研制了可同机进行光学、PET、CT和MRI四模态成像的小动物光学多模融合分子影像成像,其前期工作曾获国家技术发明二等奖(证书号2010-F-220-2-02-R01)。在国家自然科学基金科学仪器基础研究专项(基金号81027002)的资助下,研发了针对肿瘤特异性成像的小动物在体自发荧光断层分子影像仪器设备,并且已经在广州中科恺盛有限公司进行产业化推广。平台中相关设备的研制获得了授权国内发明专利30余项。
 
 
 
 
 
 
图 0‑11.
多模态生物医学成像实验平台
 
显微技术分析平台(图 0‑12)包含了一系列微观精细结构成像设备,如超大视场高分辨率电子显微镜、深紫外光学显微系统、原子力显微镜、双光子光片显微镜等大型显微成像设备,覆盖毫米、微米、纳米等多种尺度,可提供突触层面神经病理影像,形成了目前国内脑科学病理分析领域最高通量的场发射电镜集群。显微技术分析平台已经为上海神经科学研究所、生物物理研究所、微电子学研究所等10余家院内单位提供数据获取服务,为院“脑科学与智能技术卓越创新中心”及B类先导项目“脑功能联接图谱”的实施提供平台支持。此外,平台还向清华大学、北京大学等院外单位提供技术服务,取得了良好的应用试验效果。显微技术分析平台也形成了设备关键技术的自主研发体系,利用该平台先后研发了大目标场景的电镜图像拼接技术、超长序列切片电镜图像配准技术、鼠脑部分线粒体三维重建与分析,可以实现海量显微大数据的有效处理,完成突触级显微图像的分析,构建了数据量达500TB级的大规模显微病理数据资源平台。
 
 
 
 
 
 
图 0‑12.
显微技术成像与分析平台
左图:场发射扫描电子显微镜;
中图:深紫外光学显微镜;
右图:原子力显微镜
 
软件计算平台方面(图 0‑13),实验室自主研发了集成化的医学图像处理软件平台MITK/3DMed,可以实现通用医学影像大数据的分割、配准和可视化等功能,该软件向科研单位提供开源服务和免费下载使用。目前已有来自全球70多个不同地区1000多个不同的科研机构等用户单位下载使用了该软件平台,累计下载量已达3万余人次。软件平台被第三方评论文章(Medical and Biological Engineering and Computing 2008, 46(12):1209-17.) 经由9大类64个指标评为医学图像处理软件全球前十。实验室还自主研发了一套针对肺癌的影像辅助诊断软件Radiomics,基于近万例信息完善的肺癌大数据和1000项定量三维影像特征,可实现肿瘤的分割、配准和可视化,并预测评估肿瘤的良恶性、TNM分期,生存期等临床指标,总体精度达到80%,为临床医生提供第二诊断意见。该软件已经在国内上海肺科医院、广东省人民医院、华西医院、河南省人民医院等30多家三甲医院进行了试点应用,显著降低临床肿瘤诊断的假阴性率和假阳性率,受到临床医生的好评。同时借助江西省“惠民工程”项目(发改委高技术产业局的健康医疗信息惠民行动计划),该软件已经在上高县人民医院、陕西安康、贵州等一批基层医院推广应用。
 
 
 
 
 
 
图 0‑13.
医学影像大数据分析、处理及辅助诊断软件平台
左图:MITK在线界面;
中图:3DMed软件界面;
右图:Radiomics软件
 

多模态生物医学成像实验平台、显微技术分析平台、软件计算平台对内支撑了实验室973项目、973青年科学家项目、基金委重大仪器专项、重点、面上、青年等系列项目的实施,实验室利用三个平台,深入开展了多模态分子影像的研究工作,研发了超高灵敏度光学多模融合成像技术、新型医学影像手术导航技术,改造了已有的成像设备,突破了常规影像手段灵敏度5mm的极限,实现2毫米以下微小病灶的早期检测,已经发表SCI论文近百余篇。三个平台对外为50多个不同的研究所和高校研究提供支持,院内单位生物物理所、化学所、成都生物所、苏州医工所等近10家研究所都用该平台进行了研究工作,产生了一批高水平的国际学术文章,如我院古脊椎动物研究所利用平台中的高能CT进行了化石的研究,发表Nature系列论文多篇;国家纳米中心利用平台中的多模态分子影像成像设备进行了肿瘤诊疗一体化探针的研发,相关成果发表在影响因子达12分的ACS Nano(2014, 8(7): 6633-43)杂志上。院外单位如湖南师范大学的研究者利用该平台设备发表了影响因子达11分的Advanced Functional Materials(2015; 25: 7119-29)文章。