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中国人自己的新一代显微镜有多厉害
2019-11-12 09:03:00  来源:扬子晚报  作者:卢林芃 孙樱芝杨甜子  
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  ■小档案

  “CyteLive”意为“活细胞”。在医学术语中,“cyte”是“细胞”的意思。

  产品logo形似一只求知的眼睛,传达出团队对知识的渴望和创新的精神。

  视场:

  达到传统显微镜的200倍

  单幅图像可达1亿像素

  同时观测10万个血细胞

  体积:

  为传统显微镜的0.8%

  成本:

  为同类产品百分之一

  如何突破痛点,打破德日垄断,创造出中国人自己的新一代显微镜?在第五届“互联网+”大学生创新创业比赛获金奖的队伍中,一支来自南理工电光学院的学生团队研制出的新一代无透镜全息显微镜,将这一愿景变为现实。记者了解到,“CyteLive”是该团队研发出的新一代无透镜全息显微镜,不仅可以内置于培养箱,还是目前唯一能够同时实现非染色、大视场、高分辨、长时间连续观察的显微镜产品。

  突破痛点

  新一代

  目前,显微镜技术的3大痛点

  1、观察细胞通常需要染色标记

  2、无法同时实现大视场、高分辨观测

  3、体积庞大、成本高昂

  显微镜

  中国造

  特点1

  无需进行任何染色标记

  “由于细胞是无色透明的,所以通常需要将细胞染色标记再观察。然而,这将损害甚至是杀死细胞,难以实现长时间连续观测。”团队负责人、电光学院博士研究生卢林芃说。

  团队利用定量相位成像技术,使CyteLive可以在无需对细胞进行任何染色标记的前提下,实现长达数天的连续观测,不仅细胞细节清晰可见,还能准确还原其三维影像,可谓“360度全方位无死角”。

  特点2

  大视场+高分辨率

  再精良的显微镜头,都受到“物镜比例法则”的制约,即大视场和高分辨率两者不可兼得。

  CyteLive去除了复杂的机械调焦装置,通过先进的计算成像算法,把样品聚焦图像“算”出来,借助自适应超分辨成像技术,成像分辨率可突破至像素尺寸的三分之一,没有物镜却可以实现20倍物镜的成像水平。

  无透镜成像技术造就了CyteLive超大的成像视场,单幅图像高达一亿像素,视场是传统显微镜的200倍,可同时观测10万个血细胞。

  特点3

  体积为传统显微镜的0.8%

  CyteLive抛弃了传统显微镜的所有光学镜头,只保留了光源和传感器,实现了小型化、轻量化,而成本仅为同类产品百分之一。卢林芃用手托起CyteLive介绍道,“它的体积仅有传统显微镜的0.8%,可直接放在细胞培养箱里进行活细胞箱内观察。”

  用“最笨办法”寻找“光源”

  在左超和周小虎两位博士生导师的指导下,学生团队有8名成员,其中6名来自电光学院,2名来自经管学院。

  要让没有透镜的CyteLive把图像“算”出来,对算法设计提出了巨大挑战。为了解决成像中细胞周围出现的衍射环对成像效果的影响,张翔宇在与左超老师的交流沟通中,花了2个多月的时间,利用基于平均投影的原理优化了成像算法,不但去除了衍射伪影,还进一步提高了成像分辨率。

  硬件结构看似简单,细节却处处讲究。为了更好的成像质量,硬件系统对LED光源有针对性要求,“我们查阅了市场上在售的LED光源参数说明书,基本都没提及相关参数。”于泓辰为了解决这个问题,采用“最笨”的办法——买了绝大多数在售的LED灯珠,一个一个地点亮,再同团队成员一起完成参数测试和成像对比,在进行了几十次测试实验后,找到了最合适的LED光源型号。

  多方“大佬”鼎力相助

  “任何技术都不能仅停留在纸面上,一定要面向实际应用才能产生真正的价值!”这是团队与学科带头人陈钱教授对实验室的科研所提出的要求和期望。在研究小组数年的不懈努力下,“无透镜显微成像”如今终于从概念成为了现实。

  项目受国家重点研发计划、江苏省重大基础研究计划、江苏省重点研发计划等一系列重大科研任务支撑,相关技术已发表高水平SCI论文三十余篇,并多次被SPIENewsroom、OSAImageoftheWeek报道,获国家发明专利37项,PCT国际专利11项。50余名院士、期刊编辑、OSA/SPIEFellow多次引用并正面评价。

  打破垄断

  解决临床难题

  已在多家医院应用

  从机械化、自动化,到信息化,智能化,是显微镜发展的大势所趋、历史必然。别看CyteLive体积小巧,内部却蕴含诸如无透镜相位恢复与像素超分辨等多项核心关键技术。CyteLive抛弃了透镜,去除了机械调焦装置,利用先进的计算成像算法弥补了我国在“精密光学加工”和“高精度机械控制”的短板,正在自主创新的路上实现弯道超车,打破国外在该领域的垄断。

  目前,CyteLive已应用于江苏省人民医院等多家医院,解决了临床疾病快速、准确检测的难题。此外,先声药业等多家知名医药公司,也在CyteLive的技术支撑下,改善了癌细胞耐药性监测过程、提高了高通量药物筛选效率。团队已经与国内显微镜公司苏州飞时曼合作,推出中国第一台商业化数字全息显微镜,与国内显微镜龙头企业——江南永新签订了战略合作协议。

  对未来市场的进一步探索,团队满怀信心:“我们坚信,通过我们的不懈努力,不远的将来,中国制造的高科技显微镜也能在全世界大放异彩!”

标签:显微镜;细胞;透镜
责编:李苏珺
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