2-2019

Titelstory Digitizer

Titelstory Digitizer ermöglichen den Durchbruch bei der schnellen Sortierung von Zellen Die Universität Tokio stellt den weltweit ersten bildbasierten Zellsortierer mit extrem hohem Durchsatz vor Die Zellsortierung spielt eine grundlegende Rolle in der Molekularbiologie, Pathologie, Immunologie und Virologieforschung. Dabei müssen Zellen anhand ihrer einzigartigen chemischen Merkmale und Formen schnell erkannt und sortiert werden. Herkömmliche Verfahren sind beim Erkennen dieser Unterschiede sehr eingeschränkt, da sie zu arbeits- und zeitintensiv sind. Die Fakultät für Chemie der Universität Tokio hat jetzt einen intelligenten „Image- Activated Cell Sorter“ (IACS) mit Hilfe eines ultraschnellen Digitizers von Spectrum Instrumentation entwickelt. Dies ist die weltweit erste bildbasierte Technologie für das Sortieren von Zellen und bietet beispiellosen Durchsatz und extreme Genauigkeit. Damit sollen wissenschaftliche Entdeckungen auf biologischen, pharmazeutischen und medizinischen Spectrum Instrumentation GmbH sales@spectruminstrumentation.com www.spectrum-instrumentation. com 8 meditronic-journal 2/2019

Titelstory Gebieten erreicht werden, insbesondere bei Krebs, wo der neue Zellsortierer nach den geringfügigen Unterschieden zwischen Krebszellen und gesunden Zellen suchen kann. Der IACS-Zellsortierer kombiniert komplexe Technologien wie Optik, Mikrofluide, Elektronik, Mechanik und Datenverarbeitung. Um Zellen mit einer extremen Geschwindigkeit zu sortieren, wurden Zellabbildung, Zellfokussierung und Zellsortierung mit einer radikal neuen Software-Hardware-Datenverwaltungsstruktur kombiniert. Das System ist flexibel und skalierbar und bietet außerdem einen automatisierten Echtzeitbetrieb für die Datenerfassung, Datenverarbeitung, Entscheidungsfindung und die mechanische Sortierung. Selbst wenn komplexe Lern algorithmen verwendet werden, dauert der gesamte Vorgang nur 32 ms pro Zelle! Frequenzmultiplex- Mikroskop Ein wesentlicher Bestandteil des IACS-Zellsortierers ist die Bild- Erstellung. Hier kommt ein Frequenzmultiplex-Mikroskop (FDM) zum Einsatz, das ebenfalls an der Universität Tokio entwickelt wurde. Das FDM-Mikroskop kann kontinuierliche, schnelle, verwacklungsfreie, empfindliche Hellfeld- und Zweifarben-Fluoreszenzbildaufnahmen von Zellen, die sich mit 1 m/s bewegen, erzeugen. Dies ist erforderlich, um die bahnbrechende Verarbeitungsrate des Systems von rund 100 Zellen pro Sekunde zu erreichen. Die Digitizerkarte Der zweite wichtige Bestandteil für die ultraschnelle Zellsortierung ist die sehr schnelle Verarbeitung der Signale, die das FDM-Mikroskop mit seinen Photodioden liefert. Sie werden an eine M4i.2212-x8 Digitizerkarte von Spectrum Instrumentation geleitet, die mit einer Abtastrate von 1,25 GS/s arbeitet. Die erfassten Daten werden dann über den PCIe-Bus der Karte an einen PC übertragen, wo die räumlichen Profile, die in den digitalisierten Wellenformen enthalten sind, getrennt werden können. Durch die schnelle PCIe-Schnittstelle des Digitizers kann dieser Prozess kontinuierlich mit hohem Durchsatz ablaufen. Der genannte Trennungsprozess umfasst Arbeiten im Frequenzbereich durch Ausführen von Fourier-Transformationen, die die unterschiedlichen Modulationsfrequenzen jedes Signals anzeigen. Bildverarbeitung Sobald die Bild-Erstellung abgeschlossen ist, werden die Ergebnisse mit 10-GB-Ethernet an die Bildanalyse-Stufe des IACS übertragen. Dort wird mit einer Kombination aus einem FPGA, drei CPUs, einer GPU und einem Netzwerkschalter die erforderliche Bildverarbeitung und Entscheidungsfindung durchgeführt, unter Verwendung von „deep learning“-Technologie auf einem neuronalen Netzwerk. „Dies ist ein Beispiel dafür, wie unsere ultraschnellen Digitizer eine entscheidende Rolle dabei spielen können, Bilderkennungssysteme zu verbessern,“ erklärt Oliver Rovini, CTO bei Spectrum Instrumentation. „Systementwickler möchten Lösungen, die Bilder in Echtzeit verarbeiten. Dies können unsere schnellen Digitizer für Anwendungen wie diese ermöglichen, bis hin zur Fabrikautomatisierung und Prozesssteuerung.“ Die Fakultät für Chemie an der Universität von Tokio ist Teil eines großen Konsortiums von Instituten und Organisationen aus Japan und den Vereinigten Staaten, das grundlegende Forschungen zur Entwicklung einer intelligenten Zellsortierung unternommen hat. Über die vollständige IACS-Entwicklung mit Details zum gesamten experimentellen Aufbau und den Ergebnissen steht ein Zeitschriftenartikel von Cell Press im Link zum Video. ◄ Link zum Video: https://www.cell.com/cms/10.1016/j.cell.2018.08.028/attachment/376fe425-fe7a-44f2-87d7-73ab3cd3af3d/mmc1 meditronic-journal 2/2019 9