陈和扎克伯格基金会（英语：Chan Zuckerberg Initiative，缩写：CZI）近期向一项由三名科学研究人员领导的成像研究项目拨款100万美元，其中包括ESRF科学家Paul Tafforeau，伦敦大学学院（UCL）的Peter Lee和Rebecca Shipley，这是陈和扎克伯格基金会在全球范围内对促进深层组织成像研究的一部分。
该项目命名为Anatomical tocellular synchrotron imaging of the whole human body，该项目的目标是开发出一种创新的X射线断层成像技术，该技术将能够以25微米的分辨率扫描整个人体，是传统CT扫描仪分辨率的数十倍。此外，它还可以通过细胞级的成像放大局部区域，分辨率比CT扫描仪高出几百倍。该项目基于ESRF（欧洲同步辐射光源）最近对EBS（Extremely Brilliant Source）的升级，该升级创建了世界上第一个高能第四代同步加速器，是目前世界上能量最高的X射线源。可行性研究表明该项目可以以前所未有的细节来展示COVID-19对人肺造成的损害，从主要呼吸道一直到完整肺部最细微的脉管系统。
HiP-CT synchrotron technique is being used to image whole human lungs to help understand the injury caused by COVID-19. This 54 year old male victim’s whole lung lobe is first scanned at 25 micron voxel resolution (green cylinder, rendered to show the two vascular systems and occluded vessels). Scientists can then zoom in at 6 (red circle) then 2 micron voxels (blue circle), giving 100X more resolution than clinical CT. Cellular structure is resolved, including individual red blood cells (red arrows). (Credit: P.Tafforeau/ESRF).
该项目由来自UCL和ESRF的同步辐射成像科学家，来自UCL的数学家和计算机科学家，和来自Hannover-biobank，Mainz和Heidelberg处的医务人员等国际多学科团队共同领导。陈和扎克伯格基金会由Priscilla Chan博士和Mark Zuckerberg于2015年创立的慈善组织，目标是利用科技来帮助解决世界上最棘手的挑战，从根除疾病到改善教育，以帮助为每个人构建一个包容，公正和健康的未来。2020年12月2日，陈和扎克伯格基金会宣布了近3200万美元的资金来支持生物医学成像研究人员和技术开发，以实现在治愈、预防或管理疾病方面的突破。正如陈和扎克伯格基金会所提到的，“尽管生物医学成像技术已经取得了重大进展，但我们离最终目标还很遥远：以微创方式观察活生物体中的细胞和亚细胞过程”。来自欧洲各地的X射线成像研究人员、数学家、生物学家和医务人员组成的国际多学科团队致力于利用这项资金，开发称为HierarchicalPhase-Contrast Tomography, or HiP-CT的新型X射线断层成像技术，这种创新的方法将使科学家能够在完整的器官或体内的任何地方，无损的进行虚拟3D组织学研究。为了实现X射线断层成像技术的这一转变，该项目将在几个关键领域寻求重大突破，包括X射线光学器件、探测器和分层相关图像重建算法。这项工作将扩大到临床成像，使用AI将项目的细胞定位与临床诊断技术相关联。经过150万欧元的EBS升级之后，ESRF进行了首次用户实验，并证明了该技术的可行性。它以25微米的分辨率扫描整个人体器官，然后使用local phase-propagation tomography技术，对200毫米组织以1.4微米的立体像素分辨率进行缩放，从而呈现3D组织结构。该实验通过对COVID-19患者的器官成像，科学家们能够以3D方式评估肺部复杂的血管系统，并观察到血管系统的改变在COVID-19肺炎的病理生理中起着重要的作用。这些结果证明了该技术在完全实现时有助于了解COVID-19或其它疾病对器官造成的损伤。正如ESRF科学家Paul Tafforeau解释的那样：“COVID-19大流行改变了许多人的生活。我意识到我们最初为古生物学开发的几种成像技术可以使整个人体器官的成像精度达到新的水平。通过对该技术进行进一步的延申，我们意识到它可能会对生物成像技术进行再次创新。然后我们的团队决定申请陈和扎克伯格基金会的支持，以将这些初步结果转化为真正的技术突破，在未来几年对生物医学界提供更高技术支持。”
Paul Tafforeau, ESRF scientist imaging the complete brain and lung of a COVID-19 victim using HiP-CT at the ESRF-EBS, the world’s brightest X-ray source. By resolving cellular features (ca. one-micron resolution) in local areas we hope to help determine if COVID-19 affects the vasculature in the organs. (Credit: ESRF)
作为X射线成像科学家，UCL的Peter Lee补充说：“在大流行初期，美因茨的几个德国医生与我联系，咨询是否可以对COVID-19造成的肺部损害进行成像。我们召集了ESRF和Diamond LightSource（英国同步辐射光源）的科学家，并开始对一些样品进行成像。Paul Tafforeau意识到通过ESRF-EBS，我们可以在整个器官上获得与在活体组织切片中相同的分辨率，这将是一个变革性的转变，因为我们可以在整个器官的规模上查看细胞损伤。我们组建了一支英国-法国-德国团队，在Lockdown期间开发了HiP-CT，并且我们将继续完善它，同时利用结果去帮助临床医生了解COVID-19对我们器官的伤害。“
ESRF的Research Director，HaraldReichert总结说：“the award of this grant is a clear signof trust into the potential of the ESRF-EBS for breakthrough research of thehighest impact enabled by the provision of synchrotron X-rays beams withunprecedented brilliance and coherence。”
关于x-ray computed tomographyX射线断层成像，使用X射线创建物理对象的横截面，该横截面可用于重建虚拟模型（3D模型）而不会破坏原始对象。前缀micro（微米，符号µm）和nano（纳米，符号nm）用于表示横截面的像素大小在微米范围内或纳米范围内。典型的X射线断层成像系统由三部分组成：X-Ray射线源、多轴样品台、以及探测器。如下图所示：
LAB Motion Systems很荣幸的被告知，ESRF和UCL在该项目上使用的正是LAB提供的5轴气浮样品台，其高定位精度和重复定位精度以及稳定性获得所有研究组成员的一致认可。
LAB Motion Systems公司2005年成立于比利时著名的大学城鲁汶，是天主教鲁汶大学孵化出的企业，公司的全称是Leuven Air Bearings NV。LAB是全球领先的气浮运动控制系统供应商，公司为用户提供基于气浮轴承技术的纳米精度运动控制系统，包括气浮转台和多轴运动控制平台。其气浮转台的端跳和径跳可以达到<20nm的精度。北京拓普光研科技发展有限公司是LAB在中国的代理商，致力于LAB产品在半导体检测、量子光学、激光微加工、精密测量、天文、CT等领域的应用市场开发、产品推广等，致力于跟用户共同成长。更多详情请访问www.topphotonics.com
