3月21日，国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施在北京怀柔科学城通过国家验收。该设施是“十三五”国家重大科技基础设施建设项目，将为生命科学研究和重大疾病诊治提供全尺度、多模态的成像技术支撑，助力全景式解析生命奥秘。

多模态跨尺度生物医学成像设施园区规划图。中国科学院生物物理研究所供图

跨越9个尺度，对生命体进行可视化观测与精确测量

随着研究手段的革新，生物医学研究正发生着巨大变革。成像技术作为生物医学最重要的研究工具之一，将在重大生物医学问题的研究中扮演关键角色，成为推动生命科学基础研究和临床医学研究发展的核心动力。

多模态跨尺度生物医学成像设施旨在通过研发并有机整合不同成像模态，打造在时空尺度和模态上无缝对接的、从分子到人的“一体化”生物医学成像技术集群。设施于2019年5月经国家发展改革委批复，由北京大学与中国科学院生物物理研究所（以下简称“生物物理所”）共同推动，并联合哈尔滨工业大学、中国科学技术大学等多家单位进行建设，总投资为17.17亿元。

其核心装置包括多模态医学成像装置（装置一）、多模态活体细胞成像装置（装置二）、多模态高分辨分子成像装置（装置三）及全尺度图像数据整合系统，可对生命体从分子到器官的结构与功能进行跨尺度可视化观测与精确测量。

为何叫跨尺度？北大未来技术学院副院长孙育杰解释，装置一是医学成像装置，主要看宏观的人体和器官；装置二主要看细胞，从分米尺度跨越到了微米尺度；装置三主要看蛋白、DNA、RNA等，跨越到纳米尺度，“我们要做的是把跨越这9个尺度的数据通过影像的方式呈现出来，再用装置四进行整合，更全面地看待生命，解答疾病的问题。”

多模态跨尺度生物医学成像设施航拍图。任晖 摄

全人体PET/CT设备可一分钟完成高图像质量扫描

在装置一的大楼中，记者看到了一个类似医院CT的设备。据北京大学未来技术学院任秋实教授介绍，这台全人体PET/CT设备是目前临床最高灵敏度的肿瘤检测技术之一。

“目前医院大多使用的普通PET/CT灵敏度低、辐射剂量高，难以应用于孕妇和儿童。该设备灵敏度较传统设备提高40倍以上，等效辐射剂量相当于之前的四十分之一，人体受到的辐射剂量相当于从北京飞到洛杉矶受到的射线剂量（低于国家规定的全年自然剂量）。设备扫描时间可以从现有的半小时缩短到一分钟，实现亚秒级的药物代谢分辨能力。”他说，目前设备主要用于科研，可以对人体进行从头到脚同时观察，使用一次的价格约为1万元，距离大规模应用还需几年。

他说，设备可以用于研究药代动力学，观察病人服药以后各个器官的代谢情况。它在中医研究中也颇有价值，比如针灸穴位得不到全身功能信息的有效印证，而这台新型影像设备可以提供实验依据，观察从头到脚的经络在人体中如何相互作用。

捕捉地球磁场的1/10亿的神经元放电磁场

“CT、磁共振在结构性疾病的日常诊断上发挥了极大作用，比如肿瘤、血管堵塞，但对于很多神经精神疾病的诊断还是无能为力。大脑神经元放电产生的磁场是地球磁场的1/10亿，非常微弱，这台先进的机器可以有效观察到这些信号，帮助解决这个问题。”北京大学物理学院教授高家红指着新一代无液氮脑磁图成像设备说。

据他介绍，神经精神疾病主要的表征是神经元放电异常，比如说癫痫就是神经元不该放电时突然放电了，抑郁症则是该兴奋的时候神经元不放电。这台设备的时间分辨率是毫秒量级，空间分辨率是毫米量级。“神经精神疾病并不是一直在犯病，比如癫痫突然发作时间非常短暂，所以需要时间分辨率非常高。设备完全可以捕捉到任何微小且短暂的变化。目前的设备需要人躺着靠近探测器，检测半小时左右，未来患者可以戴脑磁帽，在小范围自由行走时也能检测。”

他说，目前该设备已经应用于华西医院和三博医院，并收集临床数据，为疾病诊断提供数据支持。

“超级”显微镜可助力回答病理过程

在装置二的大楼里，各种各样的显微镜正在工作，它们研究的对象是细胞和组织。为了把这些显微镜的功能发挥到极致，整个系统搭建了重达5000吨的悬浮台，底下使用了88个气浮柱，将外界震动彻底隔绝。

经过风淋系统洁净区后，中国科学院生物研究所李栋研究员带领记者近距离了解其中一台显微镜——三维结构光照明单分子追踪显微镜。他说，传统的光学显微镜放大倍率大概是1000倍，对应的是200纳米尺度，就是一根头发丝千分之一的直径，在这个尺度以下的亚细胞结构不能被传统的光学显微镜分辨。

这台套的设备在达到60-100纳米分辨率的条件下，依然能够保持活细胞成像的性能，无损观测蛋白分子或者核酸分子的行为和作用，以及其导致的亚细胞结构的变化和对应的生理、病理过程。

比如告诉老百姓吃什么东西会致癌、为什么致癌、它的分子机理是什么，为分子机理研究提供更为精准的工具。

设施建设催生一批自主研制的科学装备

“成像设施将打通尺度壁垒，多层次、全景式揭示生命的奥秘。”北京大学国家生物医学成像科学中心主任、成像设施首席科学家程和平院士表示。设施已吸引29项数字生命重大项目建议书，未来将围绕脑科学、肿瘤诊疗等国家战略方向开展系统性攻关。

生物物理所学术委员会主任、成像设施总工程师徐涛院士表示：“设施建设催生了一批自主研制的科学装备，今后将继续推进科研装备的国产化进程。”在设施建设和运行过程中，仅生物物理所就研制出世界领先的冷冻光电关联显微镜、纳米分辨率单分子定位显微镜、活细胞超分辨成像显微镜等具有自主知识产权的仪器，并实现部分关键核心部件的国产替代。

成像设施将实行开放、流动、择优的机制，面向全国开放共享，还将与美国、欧盟等地生物医学成像平台建立国际联盟。成像设施将为复杂生命科学问题和重大疾病的研究提供成像组学研究手段，全景式研究和解析生物医学重大科学问题，推动生物医学研究的范式变革。

同时，成像设施将成为引领、带动技术和方法创新的国家基地，与高校、科研院所、生物医学成像相关企业等组建产业创新联盟，打造生物医学成像技术“产学研用”的创新生态环境，为高端生物医学影像装备实现“中国创造”提供战略支撑和保障。

新京报记者 张璐

编辑 樊一婧 校对 刘军