,多模态跨尺度生物医学成像设施,国家重大科,技,基础,设,施建,设,项目,北京大学,中科院,生,物物理所,多模态跨尺度生物医学成像设施国家重大科技基础设施建设项目北京,1,国家建设规划,空间环,境,地基监测,网,(,子,午,工程,二,期,),大型光学红外望远镜,极,深地下极低辐射本底,前,沿物,理,实,验,设施,大,型地震工程模拟研,究,设施,聚,变堆主机关键系统综,合,研,究,设施,高能同步辐射光源,硬,X,射线自由电子激,光,装置,多模,态,跨尺度生物医学,成,像,设施,超,重力离心模拟与实,验,装置,高,精度地基授时系统。,国家建设规划空间环境地基监测网(子午工程二期),2,成像组,学,研,究院,研学,项目组长,(PI),50,人,学生,+,实验员,750,人,微观 介观 宏观,数据中心,辅助平台,R,&,D,研学,研究型,医院,工 程 转 化 中,心,高 端 成 像 产 业 联,盟,工程师,技工,/,技术员,教育,/,培训,/,科普,开放共享,管理人员,200,人,苏州 深圳,西安,200,床位,产学,用学,先进,服务平台,先进服务,先进服务,先进服务,先进服务,国外用户,国内用户,（工程转化）,研学,公司,派驻,（工程转化）,研,学,产,开发中先进产品,市场化产品,市场化产品,开发中,先进产品,医学问题,临床试验,临床试验,研,用,学,产,多模态跨尺度生物医学成像国家平台,技术共享,理论,部,应用部,技术部,科教部,教育联盟,西,安,-,“,一,带,一,路,”,雄,安,-,副中心,学,开发中,先进产品,成像组学研究院研学项目组长(PI)50人微观 介,3,生命小宇宙：,世界上最复杂的物,质,运,动,形式,10,个数量级的空间尺度,10,个,数量级的时间尺度,10,个不同的层级,10-,微,米,小宇宙,1.4-,千,克,小宇宙,人,体,-,小宇宙,生命小宇宙：世界上最复杂的物质运动形式10个数量级的空间尺度,4,看 得,快,P,A,-,S,IM,成像技,术,推动生,命科学进步,的核心动力,X,射线,(190,1,年,N,o,b,e,l,奖),全息照相法(197,1,年,No,b,e,l,奖,),CT,计算机断层成,像,(1979,年,Nobel奖,),电子显微,镜,(198,6,年,N,o,b,e,l奖),MRI,磁共振成,像,(2003,年Nobel奖,),超高分辨率显微成,像,(2,0,1,4,年,N,o,b,e,l,奖,),“眼 见 为 实”,Seeing,is,believing,看 得 快PA-SIM成像技术推动生命科学进步的核心动力X,5,科,学,目标及,其意义,不同成像模,态,获取不同,的,结构,、,功能,和,组成,的,信息,科学目标及其意义不同成像模态获取不同的结构、功能和组成的信息,6,什么是多模态跨,尺,度？,多模态,=,对同一样品测量多种物理,量,原位、同时,原位、异时,异位、异时,原理创新，工程创新,微型化、智能化与自动化,图像融合,建立模型,多模态跨尺度成像是对同,一,研,究,对,象,，利,用,多,种,成,像,模,态,，跨,越,不,同,时,间,和,空,间尺,度，通过图像数据融合，,全,景,式,地,呈,现生,命,活,动,的,过,程,。,硬件融合,为什么需要多模,态,跨尺,度,？,打,通,尺度壁垒，精准描绘,生,命,活,动,需,要发,展,新,的,成,像,模,态,，,多,模,态,融,合,、,跨,尺,度,成,像,体,系,，,以,及,先,进,的,图,像,数据融合平台。,1000,亿神经细胞，每个神经细,胞,10,000,个连接,从神经突触到大脑，空间尺,度,跨,越六个数量级。,从神经电信号到记忆形成,，,时间尺度七到八个数量级。,科,学,目标及,其,意义,什么是多模态跨尺度？多模态=对同一样品测量多种物理原位、同,7,科学目标,科学目标,8,成像,组学,，,Imageomics,蓬勃发展的基因组学（genomics）、蛋白组学（proteomics）,、代谢组学,（metabonomics）,揭示的是,生命之剧的,“演员,”,;,正在兴起的,成像组学,（imageomics）,揭示的是生命之剧,的,“剧照”和“剧情,”,。,基因组学,Genomics,20,00,0,基因及大量 非编码基因,蛋白质组学,Proteomics,100,000,蛋白分子 及各种修饰,代谢组学,Metabolomics,4000代谢产物,成像组学,Imageomics,跨,越,10,个数量级的空,间尺度和动态过程,成像组学，Imageomics蓬勃发展的基因组学（geno,9,工程目标与主要技术指标,（,1,）成像空间尺度,：,10,-10,1 m,;,成像空间分辨率,：,10,-10,1,mm,；,成像时间尺度：,10,-6,秒,1,年,;,成像时间分辨率,：,10,-6,秒,25,毫,秒,;,实现,4,种以上模态融合；,图像存储能力,：,15,PB,。,工程目标与主要技术指标（1）成像空间尺度：10-10 1,10,总体架构,：,四大装置,全尺度,图像整合系统,微观,多模态高分辨 分子成像装置,介观,多模态活体细胞 成像装置,宏观,多模态医学,成像装置,以前,所,未有,的,方,式,融合,光,、,声,、电,、,磁,、,核素,、,电子,等,模,态,，结,合,信,息,技,术,，,形,成影 像组，以实现从,埃,到,米,、,微,秒,到,生,命,周,期的,跨,时,空,尺,度,的,结,构与,功,能,成,像,。,总体架构：四大装置全尺度微观介观宏观以前所未有的方式融合光,11,模态融合、尺度融合成像装置,模态融合、尺度融合成像装置,12,先进性与国际地位,高灵敏度全景式,PET/CT,双模态成像系统,新一代高灵敏脑磁图成像系统,时空一体,PET-MR,双模态成,像,系统,基于微型化双光子探头的,多,脑区,高,时空分辨成像系统,高场,fMRI,引导的高分辨荧,光,内窥成像双模,态,跨尺度成像 系统,自主研制跨尺度光电融合断层成像系统,基于北京光源的硬,X,射线相衬跨尺度高分辨成像系统,亚纳米精度冷冻单分子定位成像系统,自主研制高通,量,冷冻电镜系统,世界首套生,物,单分子核磁共振成像仪,自主研制的时,间,分辨四维高分辨生物电镜系统,融合尺,度,从,微米到分米,世界上,最,灵,敏,、,视,野,最,大,、,成,像,速,度,最,快,的,人,体,分,子,影,像,设备,为脑磁,信,号,在人脑机接口中的,应,用奠定,了,基础,功能成,像,、,结构成像、和分子,成,像,多模态融合同时,成,像,首次实,现,对,自由活动动物的多,个,脑区神经网络活动,同,时成像，为研究动,物,社交活动,时的神,经,行,为,，,以,及,非,人,灵,长,类,执,行,高,级,认,知,任,务,时,不,同,脑,区,间,的,连,接,提,供,创新型,工具,世界首,台,跨,越,10-1000,微米样品,尺,度,，纳米分辨光电,融,合系统,与北京,光,源,对接的世界首台,硬,X,射线相衬成,像,系统，高分辨率与大,视,场完,美,结合,为,全脑的,无,损,3D,成像提供新一,代,工具,基于自,主,研,发的相位板技术将,现,有空间分辨率,从,3,埃提高到,1,埃,，,为生物大分子结构,解,析,提供下,一,代,成,像,工具，,实现生,物,样,品,的,电,子,显,微,快,照,，,为,实,现,生,物,过,程,精,细,结,构,动,态,变,化,提,供,强,大,工具,先进性与国际地位高灵敏度全景式 PET/CT双模态成像系统新,13,体系结构,体系结构,14,多模态跨尺度生物医学成像设施课件,15,多模态跨尺,度,互联互通,方案,多模态跨尺度 互联互通 方案,16,重,大,应用举例,：肿瘤医学,1,、通过全景式的成像来呈现肿瘤的生理生化发生演进机制，运用深度学习分析，助,力,肿瘤,的早期诊断、精准治疗以及疗效评估。,治疗后,PET/MR,融合图像,肿瘤边界的组织病理切片,多尺度,多模态,医学成像融,合,基于多模态影像组学的深度学习,精准定位肿瘤分布，局部放疗剂量,，,侵润,边,界等,病理,PET,CT,MRI,特征提取,术后切除肿瘤组织,重大应用举例：肿瘤医学1、通过全景式的成像来呈现肿瘤的生理生,17,2,、逆向解码,大脑学习和记,忆,过程：可视化全脑,-,神经回路,-,神经元突触的功能和结构连接组变,化，为发展类脑计算提供物质基础,重,大,应用举,例,：脑科学,2、逆向解码大脑学习和记忆过程：可视化全脑-神经回路-神经元,18,重,大,应用举,例,：代谢生物医学,快,速,扫,描,能,力：,90,秒,高速,全,身,成,像,10mCi,空间,分,辨,率,：4.5mm,6,倍,信,噪比,的,提升,大脑,心脏,肠道,重大应用举例：代谢生物医学快速扫描能力：大脑心脏肠道,19,重,大,应用举,例,：心血管分子医学,时空一,体,PET/MR成像,0.1ms,时间同步精,度：,实,时多,模,态动,态,成像,1mm,空,间,分,辨率,：,功,能,参数,与,分子,靶,点同,步,成像,重大应用举例：心血管分子医学时空一体PET/MR成像1mm空,20,建筑设,计初,步,方案,建筑设计初步方案,21,成像组学研究院,研学,项目组长,(PI),50,人,学生,+,实验员,750,人,微观 介观 宏观,数据中心,辅助平台,R,&,D,研学,研究型医院,工 程 转 化 中,心,高 端 成 像 产 业 联,盟,工程师,技工,/,技术员,教育,/,培训,/,科普,开放共享,管理人员,200,人,苏州 深圳,西安,200,床位,产学,用学,先进,服务平台,产,先进服务,先进服务,先进服务,先进服务,国外用户,国内用户,（工程转化）,研学,公司,派驻,（工程转化）,研,学,开发中先进产品,市场化产品,市场化产品,开发中,先进产品,医学问题,临床试验,临床试验,用研,学,产,多模态跨尺度生物医学成像国家平台,技术共享,理论,部,应用部,技术部,科教部,教育联盟,西,安,-,“,一,带,一,路,”,雄,安,-,副中心,学,开发中,先进产品,成像组学研究院研学项目组长(PI)50人微观 介,22,国之重器，生物医学的超级工具,单体规模最大、模态汇,聚,最全,、,学科,集,成度,最,高,模态融合数目、深度与,广,度前,所,未有,实现从分子到人，一站,式,全尺,度,无缝,覆,盖,高通量、智能化的多模,态,全尺,度,大数,据,整合,全新的人与图像大数据,的,交互,方,式,与北京光源合璧，催生,新,的成,像,模态,后发优势与先发优势并,重,，具,有,强大,的,内生,研,发能力,开放共享服务：依府院,优,势、,集,全球,之,智、,结,合先,进,产业，确保设施的高效使用，,葆,持设,施,的先,进,性,国之重器，生物医学的超级工具单体规模最大、模态汇聚最全、学科,23,引领国际生物医学成像新潮流,HHMI,USA,NIMH,USA,MGH,USA,German,BioImaging,CNRS/France,BioImaging,European,BioImaging,University,of,London,RIKEN,Japan,SBIC,Singapore,引领国际生物医学成像新潮流HHMI USA,24,多模态跨尺度生物医学成像设施课件,25,