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《苏州医工所张若冰课题组提出一种绘制全细胞神经介观图谱的光学多层干涉断层成像方法》

  • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： hujm
  • 发布时间：2021-12-06

  • 大脑的神经回路是一个极其复杂的网络，包含数十亿个神经元细胞，在这些细胞间又存在着数以百亿计的连接。如果只了解其中单个分子或单个神经细胞的工作机理而不了解多个神经元细胞之间连接之后的网络结构和集体行为方式，是无法理解大脑复杂且高等的功能行为的，也无法解释很多脑部疾病的致病机理。目前，尽管成像技术众多，但仍然缺乏可以在亚细胞神经元突起水平上描绘出单个脑组织中所有细胞以及神经投射图谱的方法。因此，构建出一种能快速绘制神经网络联接图谱，展现全细胞细节并与电子显微成像相关联以发挥二者优势的光学成像技术，对我们了解大脑的工作机制和相关疾病机理具有重大意义。

    　　为了实现这个目的，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所张若冰课题组提出一种光学多层干涉断层成像方法——“Optical Multilayer Interference Tomography (OMLIT)”。原本仅用于收集超薄切片的卷带以及为电镜成像提供导电性的导电镀层在光学显微镜下发挥了意想不到的作用：光经过层与层之间的反射与干涉后到达物镜，获得了对比度增强的图像。OMLIT在此基础上通过测试收集超薄切片时所使用的卷带材料、镀层材料、镀层厚度、超薄切片厚度等因素，寻找到一种在光学分辨率下获取满足介观尺度下要求的图像的条件。

    　这种成像方法另外的优势在于快速高效准确。相较于电子显微镜成像所需3.5小时，OMLIT在最快12分钟内获得了神经突触水平下的小鼠皮层三维结构数据集（0.95×1.15×0.027mm3），可区分和重建所有神经元和神经胶质细胞的形态以及空间位置,以及毛细血管和神经突触的交织网络。最终使用扫描电镜验证了OMLIT的成像与三维重建精度，展示了两种成像方法之间的兼容性。未来可将长程神经投射图谱与单个脑组织中全细胞的局部回路的互补突触级细节合并，提高大尺度脑图谱的成像通量。

    　相关成果已经以“Optical Multilayer Interference Tomography Compatible with Tape-Based Serial SEM for Mesoscale Neuroanatomy”为题在线发表在ACS Photonics（IF = 7.529, JCR Q1）上，并选为补充期刊封面。论文第一作者为硕士生范昊，通讯作者为张若冰研究员。

    　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.1c00892

  • 原文来源：http://www.sibet.cas.cn/kxyj2020/kyjz_169572/202112/t20211201_6283471.html
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相关报告

  • 《苏州医工所杨晓冬课题组在乳腺X线断层合成影像（DBT）的微钙化病灶检测及良恶性分类技术中取得重要进展》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2020-08-31
    • 在全球范围内，乳腺癌都是威胁女性健康的最主要恶性癌症。有研究表明，早期的筛查诊断和治疗有利于改善患者的预后。在早期筛查诊断中，乳腺微钙化簇类病灶是重要的早期征象，对于乳腺癌的早期发现及临床治疗具有重要的意义。乳腺X线摄影对该类病灶十分敏感，其中乳腺X线断层合成影像(Digital Breast Tomosynthesis, DBT)是一种三维的X射线断层影像，它能一定程度上克服二维钼靶摄影因组织重叠而影响病变观察的问题。 　　现阶段利用DBT影像进行微钙化病灶的准确筛查及诊断存在以下挑战：第一，微钙化簇病灶分散在三维数据的多张切片中，不利于病灶的整体观察；第二，由于有限角度的重建或者病人潜在的运动，导致钙化点存在伪影，这些挑战容易导致微钙化病灶的误诊，计算机辅助检测及诊断技术能一定程度上缓解医生误诊的现象。 　　近期，苏州医工所杨晓冬课题组与苏州市立医院东区乳腺筛查中心合作，在基于乳腺DBT影像的微钙化簇检测及假阳性降低算法研究上取得进展。算法的整体流程如图1所示，包括候选样本检测和假阳性降低两部分。候选样本检测部分采用高斯滤波结合区域聚类的方法获得初步的微钙化簇候选样本，之后采用深度学习算法进行假阳性降低任务。针对DBT影像各向异性分辨率的特点，课题组提出了一种三维各向异性卷积神经网络（如图2所示），可以避免各向异性分辨率的影响同时加强了模型对中心切片的特征重用。课题组在收集的包含592例病例的数据集上进行了实验，获得了0.9765的AUC，性能优于其他四种对比算法，具体实验结果如图3所示。 　　该研究成果“3D Context-Aware Convolutional Neural Network for False Positive Reduction in Clustered Microcalcifications Detection”发表于IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics杂志（2020），论文第一作者为郑健研究员，张凡和李铭副研究员为通讯作者。该研究课题得到了美国匹兹堡大学医学院放射科（吴山东教授）、苏州市立医院东区乳腺放射科（蒋可和陈倩医生）等合作单位的大力支持。该项工作受国家重点研发计划（2016YFC0104505、2016YFF0101303）、国家自然科学基金（61701492）、苏州市科技局（SYG201825）、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(#Y753181305、 #Y95K091K05)等项目的经费支持。 此外，课题组还提出了一种高效、准确的计算机辅助微钙化簇良恶性分类算法。针对微钙化簇分散在三维空间的特点，作者创新性地设计了多空间域的影像组学特征并对比分析其对关键信息的描述性能（包含：形状特征、纹理特征、强度特征和上下文特征）。通过有效的特征筛选机制和分类器训练策略，最好的钙化簇病灶良恶性分类模型的AUC值达到0.868（如图4所示）。当分别对比良恶性微钙化簇特征时，发现恶性微钙化簇相比于良性通常分布较广、钙化点更小且更亮（如图5所示）。该算法能较好地在术前对病灶进行无创诊断，有利于提高医生的诊断准确率，减少良性病人不必要的手术伤害和经济负担。 　　该研究成果“A radiomics method to classify microcalcification clusters in digital breast tomosynthesis”发表于Medical Physics杂志（2020），论文第一作者为研究生彭云松，郑健研究员和陈倩医师为通讯作者。该研究课题得到了美国匹兹堡大学医学院放射科（吴山东教授）、苏州市立医院东区乳腺放射科（胡大章主任、蒋可医生）等合作单位的大力支持。该项工作受国家重点研发计划（2016YFC0104505、2016YFF0101303）、国家自然科学基金（61701492）、苏州市科技局（SYG201825）、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(#Y753181305、 #Y95K091K05)等项目的经费支持。
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  • 《苏州医工所杨晓冬团队提出一种高均匀度多层Halbach磁体的设计理论》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2022-11-28
    • Halbach阵列磁体是由多个不同磁化方向磁块按规律组装而成的永磁体构型。得益于磁材利用率高、均匀性高以及逸散场小的优势，Halbach阵列磁体在一些对于体积要求紧凑、可移动、可实时和原位检测的场景中得到广泛应用。近年来得益于高均匀度多层Halbach磁体的研究和发展，便携型核磁共振系统成为低场磁共振系统的研究热点。但因设计理论不完善，现磁体设计方法多采用近似计算或有限元仿真，存在计算精度不高、仿真优化费时费力等问题。磁体几何参数如何影响磁场强度及均匀度，以及磁块自身误差如何影响均匀度等核心科学问题仍需解决。因此，为多层Halbach磁体设计提供一种较为普遍适用的设计理论方法成为迫切需要解决的问题。 　　针对此问题，苏州医工所杨晓冬研究员团队桌面磁共振波谱组构建了多层Halabch磁体优化理论，证明了多层Halbach阵列磁体中沿z轴的不均匀性最大，基于单层Halbach磁体磁场分布方程推导证明，建立多层Halbach磁体设计和优化模型。同时，简化了多层Halbach阵列磁体的设计，仿真验证了基于不同半径、每层Halbach阵列长度和各层磁体间距的优化结果。最后，设计了由三层Halbach磁体组成的1T-Halbach阵列磁体验证理论结果。在调整磁体中可移动磁块位置后，在5mm标准核磁共振管内实现了220ppm的均匀性。 　　这项工作为设计多层Halbach阵列磁体提供了理论基础，以最大化均匀性并最小化磁体材料的使用，提高磁体制作效率、降低磁体加工制作成本，推动高均匀性Halbach磁体在桌面波谱仪以及小型磁共振设备的研究和应用。 　　同时，团队基于该设计理论，设计制作了0.5T、1T等多套Halbach磁体。其中，为华中科技大学、华东师范大学相关团队提供了基于多层Halbach的紧凑型永磁桌面波谱系统，磁体重量在6kg以内，被动匀场后场均匀度在20ppm以内；此外，团队在另一套0.5T磁体系统上实施主动匀场，场均匀度可达0.5ppm。后续，有望基于该理论设计制作高达2 T的高均匀性Halbach磁体，为研制高性能桌面核磁共振波谱仪、桌面核磁共振成像仪奠定基础。 　　相关的研究成果以题为“Theoretical foundation for designing multilayer Halbach array magnets for benchtop NMR and MRI”发表在期刊Journal of Magnetic Resonance上，苏州医工所影像室主任杨晓冬为通讯作者。 　　研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目支持。 　　论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S109078072200180X（DOI） : https://doi.org/10.1016/j.jmr.2022.107322
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