国家重大科研装备研制项目实施方案
项目名称：用于昆虫微观结构及仿生学研究的显微CT研发
总经费： 500 万元
牵头单位：深圳先进技术研究院（盖章）
项目负责人1：胡庆茂Email: qm.hu@https://www.doczj.com/doc/e41234069.html, 电话： 0755-******** 手机： 137********
项目负责人2：梁爱萍Email: liangap@https://www.doczj.com/doc/e41234069.html, 电话： 010- 64807226 手机： 135********
使用单位：中国科学院动物研究所
联系人：马炘
实施周期： 24 个月
中国科学院计划财务局编制
二〇〇八年 3 月
实施方案编制说明
一、研制项目实施方案由牵头单位组织编制，牵头单位应当认真学习《国家重大科研装备研制项目管理办法（试行）》，严格按照实施方案的格式要求填写。
二、编写要求：
1、意义和国内外现状分析应当与研制的科研装备关联紧密、符合客观事实；
2、研制项目目标明确、任务和内容重点突出；
3、已有研究基础应当与研制项目所涉及到的技术密切相关，支撑条件应当保证可以落实；
4、技术路线清晰、技术关键点与创新点明确，验收指标应当量化且可以实际测量；
6、组织实施方式应当具体，项目的管理方式应当符合项目的具体特点；
7、预期成果应当明确且可以考核；
8、经费预算依据充分，支出方向符合国家科技经费管理的有关规定，配套经费落实，相关证明文件齐全；
三、外文缩写要注明全称及其中文翻译。
四、本报告采用A4双面打印装订，加盖项目牵头单位公章报中科院计财局，同时报送电子版本。
一、基本信息
注：本表不能加页
二、研制项目的意义（包括研制成果的应用领域及其重要性）
显微-CT是一类采用X射线成像原理进行超高分辨率三维成像的设备。它能够在不破坏样品的情况下，对骨骼、牙齿、活体小动物和各种材料器件进行高分辨率（像素大小为3到80微米）X线成像，从而显示各部分的三维图像。将这样一种具有高分辨率、快速、无损成像等特点的新型三维成像设备应用于昆虫体的研究，是一个崭新的尝试，将使得人类对于昆虫体的了解向微观深入，为昆虫仿生学的研究提供更加精细而全新的信息。
研究的成果还将对仿生学之外的许多领域产生影响，尤其是医学领域。显微-CT的两大技术优势 - 超高分辨率和快速成像 - 是医学成像的两个重要发展方向，两种技术互相促进又互相制约。通过超高分辨率技术，可以获得生物的三维（3D）标本数据库，了解生物的精细结构，以便在此基础上行物种的环境适应和生物进化研究，也可以在生物体内（外）获得活体的微观结构尺度区分及定位；快速成像技术的发展，将带来成像效率的提高和功能的增强，使得很多影像设备不仅能够作为微结构分辨系统，也可以作为疾病的实时监测系统和实时定位系统，使得医生可以借助其进行疾病监测、治疗以及手术精细操作。
因此，我们希望通过本研究工作中的努力，拓宽和加强对昆虫精细结构乃至人体组织的分辨与认识，一方面服务于昆虫仿生学的研究，另一方面改进微观组织变化的监测手段，促进不同用途医学影像仪器的发展。目前，显微CT成像的应用基本上在国内还基本上是一个空白，在国际上的应用也很有限，可以做的工作很多。研究的成果可以带动医学成像、材料、智能化医疗仪器等学科群的发展，具有重大的学术和经济双重价值。最终目标是更好地满足人类对认识世界、改造世界以及为人类健康服务的需求。
三、研制项目的国内外现状及发展趋势
我们将从仿生学，特别是昆虫仿生学和显微-CT两个方面阐述领域内的国内外发展现状。
仿生学、昆虫仿生学与昆虫数字博物馆
在自然界中，生物通过物竞天择和长期的自身进化，已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构，远比人类所曾经制造的机械更为完善。模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。十五世纪，意大利的列奥纳·达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行，并绘制了扑翼机图。到十九世纪，各种自然科学有了较大的发展，人们利用空气动力学原理，制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903年，美国的莱特兄弟发明了飞机。
然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到二十世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。
随着近代生物学的发展，人们发现生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面，有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制论”理论，它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技术系统和生物系统工作原理之间的桥梁，奠定了机器与生物可以类比的理论基础。
于是，在20世纪60年代末期，由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而成的一门边缘学科——仿生学。1960年 9 月在美国召开了第一届仿生学讨论会，确立了仿生学学科。1970年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。
仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。
力学仿生是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；
分子仿生是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；
能量仿生是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。
信息与控制仿生是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。信息与控制仿生已经发展成为仿生学的一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。
最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。—般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。
仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段：首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。
由于生物系统的复杂性和对生物体围观层面研究手段的匮乏，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。
昆虫是仿生学研究的主要对象。虽然昆虫个体小，但种类和数量庞大，占现存动物的75%以上，遍布全世界。上述仿生学研究的实例中很多是针对昆虫展开的。
昆虫的形态、行为、生态的多样性，以及昆虫与人类之间的密切关系等等，都是自然历史博物中最吸引观众，特别是青少年观众的内容之一。数字化博物馆是博物馆现代化的一个重要标志。国外博物馆从20世纪90年代就开始进行数字化建设，比较著名的有Insect Image (https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,), 衣阿华科技大学Department of Entomology的网站(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,)，KATYDID Insect Museum(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,) 和Butterfly/insect Museum (https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,)等，网站上不仅拥有大量清晰的图片，而且都准确地注明了相应的昆虫的学名及分类地位。这些分类准确、知识全面的网络资源可以使浏览者十分方便地查找到相应的内容。国内的博物馆数字化建设起步较晚，同国外的先进技术相比还有一定的差距，但发展较快。我国的昆虫代表网站有：昆虫相关知识十分详尽的中国科普博览一昆虫博物馆(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,/gb/lives/insect)；拥有大量图片资料的北京昆虫网(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,)；侧重于昆虫产业的中国昆虫网(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,)以及介绍蝴蝶专题的蝴蝶世界(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,)等。所有这些昆虫数字化博物馆各具特色，都都是以展示昆虫图片为主的，没有可交互的体现昆虫体
详细结构的三维模型。
显微-CT现状
十九世纪八十年代，由于普通ＣＴ无法满足科学研究对空间分辨率的要求，学术界开始研发显微CT(micro-computed tomography也称Micro-CT, 微焦点CT，或微型CT)。
显微-CT是一类采用X线成像原理进行超高分辨率三维成像的设备，它与普通临床CT的不同之处主要为两点：采用高精度的微焦点X线球管，分辨率高达几个微米，接近显微镜水平，具有良好的“显微”作用；采用锥形X线束(cone beam)，不仅能够获得各向同性的容积图像，提高空间分辨率和射线利用率，而且在采集相同三维图像时速度远高于临床CT普遍采用的扇形X线束(fan beam)。
显微-CT可以有两种基本机构。结构1，样品静止，X线球管和探测器运动，具有扫描速度快、射线剂量小、空间分辨率较低的特点，多用于活体动物扫描；结构2，样品运动，X线球管和探测器固定，具有扫描速度较慢、射线剂量大、空间分辨率高的特点，多用于离体标本扫描。显微-CT主要运用于两类对象的扫描分析。第一类对象为活体(in vivo)：研究对象通常为小鼠、大鼠或兔等活体小动物，将其麻醉或固定后扫描，可以实现生理代谢功能的纵向研究，显著减少动物实验所需的动物数量；与临床CT类似，活体小动物显微CT也能进行呼吸门控和增强扫描(采用造影剂)。第二类对象为离体(in vitro)标本(例如骨骼、牙齿)或各种材质的样品，分析其内部结构和力学特性，也可以使用凝固型造影剂灌注活体动物，对心血管系统、泌尿系统或消化系统进行精细成像。
显微-CT能提供两类基本信息：几何信息和结构信息，前者包括样品的尺寸、体积和各点的空间坐标，后者包括样品的衰减值、密度和多孔性等材料学信息。
显微-CT的研究可以概括为成像设备的研制、重构算法的研究、图像质量的改善以及各方面的应用。
目前已经有多种显微-CT产品[1]，如瑞士Scanco的离体系列μCT(35、40、80)和在体系列vivaCT(40、75)，比利时的skyscan系列(1074、1076、1172、1178、2011)，GE公司的离体系列eXplore Locus SP与在体eXplore Locus等。
基于二维探测技术，显微-CT需要锥形束图像重建。当前的重建算法可分成三类：近似重建算法、精确重建算法和迭代重建算法[2]。Fu 等[3]发现tent-FDK算法是一种有效重建的解析算法，而随机迭代的凸形算法通常会好于解析重建算法；Benson和Gregor[4]则研究了迭代重建算法的计算框架以解决迭代算法的大计算量；Pan等[5]则研究了非对称的锥束/扇束结合相应的重
建算法以提高图像的空间分辨率。
对于锥束显微-CT系统，因为检测器的空间分辨率高而不能使用抗扩散的网格或在探测器前放置准直器，对于较大的扫描对象，应设法消除光子扩散。Zbijewsk与Beekman[6]研究了基于Monte Carlo方法消除光子扩散以增强图像质量并去除射束硬化噪声。
由于骨与软组织信号对比明显，显微-CT特别适合骨的测量，所以首先应用于骨组织领域研究[7]。很多研究小组采用显微-CT技术进行无破坏性的骨小梁结构研究[8,9]。骨小梁有三个主要的显微结构：板状结构(Plates)、棒状结构(Bars)和它们的连接结构。组织形态计量或模式化的二维方法不能准确地反映骨小梁三维显微结构，体视学及组织断层技术的发展使之成为可能[10]。Hu等[11]对狗骨小梁的研究表明阿仑膦酸钠可以治疗骨质疏松。Ulrich等[12]研究了人体腰锥、骼嵴、股骨头及根骨的骨小梁三维结构，当样本密度值介于骨质疏松和正常值之间的临界值时，三维结构参数能很好地反映骨小梁力学特性。Ding等[12]定量研究了年龄相关的人类四肢随松质骨微结构的变化，即随着年龄增加松质骨得各向异性、平均髓腔体机、单位骨容积的骨表面积明显增加，骨容积、平均小梁容积、骨表面密度明显降低，小梁连通性与年龄无明显相关性。Jacques 等[13]提出基于显微-CT的有限元分析方法在功能骨工程领域，作为一种生物机械分析方法可以定量评价自体骨及组织重建时压力和拉力状态，一方面可以在体分析移植物周围的骨替代情况，另一方面可设计生化和机械性能较优的骨支架。设计和选择组织工程用多孔支架要求对支架的微结构及生物、机械作用之间的相互关系有较深入的了解，Lin等[14]研究了生物支架随PLDL浓度的改变，Ho等[15]研究了生物材料支架的性能测试。建立人类疾病转基因和基因敲除动物模型的显著进步，使显微-CT在动物成像方面有新的应用；遗传性多发性骨疣主要表现为多发性骨软骨瘤，可能与EXT1或EXT2基因突变有关，Morimoto等[16]建立了表达EXT2和EXT2突变的转基因小鼠模型，组织学分析和显微-CT扫描显示，EXT2转基因小鼠硫酸乙酰肝素的合成和骨小梁形成明显增多。
显微-CT也被用于牙齿及牙周组织，能从3D整体结构出发，对根管形态改变、龋齿破坏、牙组织密度变化、牙槽骨结构和力学特性的变化等情况进行研究。Terakado等[17]提出了将显微-CT应用于牙齿建模诊治口腔疾病。Arai等[18]研发了一种口腔用显微-CT即3DX并用于临床，在诊断治疗阻生牙以及牙植入物的三维成像等方面取得很好的结果。王疆等[19]利用正畸拔除的完整人上颌第一前磨牙,用显微-CT进行扫描获得牙体组织的截面影像，再利用逆向工程软件，建立了人上颌第一前磨牙牙冠部分的精细三维有限元模型，对牙体组织各部分结构做出了较精确的模拟。
显微-CT还是现代皮肤美容和保健的主要诊断方法之一，郭履灿与陈惟昌[20]对显微-CT在此领域的应用进行了展望：显微-CT能精确地显示皮肤表层5-10mm的机体组织的三维解剖结构，包括表皮、真皮、脂肪层、动脉和静脉的空间分布及其相互关系，其再现畸形或病体模型的程度可以达到亚微米级解剖学的精度，为准确了解和掌握病情并制定合理的手术治疗计划提供了极为重要的依据，可提高美容-整形手术的效果。
显微-CT通过造影剂可对血管成像从而提供较清晰的血管三维图像。新型血管造影剂的应用使显微-CT在微血管结构方面开辟了更广阔的前景，可用于小鼠肾脏、心脏、肝脏等血管的研究[21-23]。
显微-CT可用于构建虚拟人胚(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,/HEIRLOOM/Stages/HEP.htm)、构造虚拟动物(https://www.doczj.com/doc/e41234069.html,/medtech/health/news/2005/05/67541)、在地理学领域检测微细小孔[24]。
显微-CT现在还不能对除血管外的软组织提供较高的灰度对比度。要在微小尺度下刻划软组织可以采用两种方式，即研究软组织的显微成像(例如陈志华等[25]所研究的基于相位对比度的显微成像)或将显微-CT与其它的成像设备联合使用。Poddar等[26]则研究了结合共聚焦激光显微扫描(CLSM)与显微-CT各自的优点，由CLSM得到小鼠心脏的软组织但有形变和信息缺失，显微-CT提供骨头的高质量成像可帮助CLSM实现配准和几何变形的校正，最终得到小鼠心脏软组织的三维模型。另外可能的组合是将显微-CT与MicroPET相结合[27]，同时提供细微组织的解剖和功能信息。
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四、研制项目的目标、任务和内容
4.1研究目标
依据科研团队已有的工作基础和本项目的需要，设定研究目标如下：
(1) 建立一个研究高分辨率昆虫微结构的显微-CT实验平台，为研究昆虫仿生学提供更精细
的构造依据，为昆虫三维建模提供技术支撑；
(2) 研究并解决从微观成像到图像分析、三维立体模型建立过程中的技术问题，为建立可交
互式的数字昆虫，并进一步创建全新的、更完整意义的数字化昆虫博物馆创造条件；
(3) 通过摸索和改进显微-CT硬件、软件的性能，获得相应的知识产权，逐步实现显微-CT
从局部到整体的自主开发，为国内高清、快速的CT成像仪器的研制及开发提供基石。
(4）选择我国特有昆虫，运用显微CT技术，围绕控制昆虫飞行的相关肌肉结构的形态多样性
及功能和全变态类昆虫幼期及成虫期头部肌肉形态、功能比较研究及其在个体发育中的作用机理
研究两个核心课题；拓展形态学研究的新领域，并为仿生学和仿生器件研究、系统学等领域提供
新的思路和证据。
4.2研究内容
研究内容主要包括两部分：代表性昆虫内部精细结构和功能形态的研究、显微CT的自主研
发。
代表性昆虫内部精细结构和功能形态的研究
具体就以下两个问题展开研究：
1）控制昆虫飞行的相关肌肉结构的形态多样性及功能：
昆虫是动物界中数量最多、分布最广、最具多样性的一个类群，其如此繁盛的原因主要归功于飞行能力的获得。昆虫的翅分为前翅和后翅，大部分类群的前翅为膜翅，但也有特化的类群，如半翅目昆虫前翅特化为半鞘翅、直翅目昆虫前翅特化为覆翅、鞘翅目昆虫前翅特化为鞘翅、双翅目后翅及捻翅目前翅退化为平衡棒。翅的变化必然导致其功能的相应转变，如鞘翅目昆虫的鞘翅主要起保护作用，其飞行主要由后翅完成；双翅目昆虫的平衡棒主要起平衡的作用，膜质的前翅主要承担了飞行的任务。昆虫的飞行主要依靠肌肉系统、神经系统、循环系统和呼吸系统等器官相互作用共同完成，而肌肉系统则为昆虫的飞行提供动力资源，在飞行过程中起着重要的作用。目前为止，关于昆虫翅的起源、形态功能和进化的研究在化石、比较形态学、解剖学等方面都有了不少阶段性成果（Flower, 1964; 杨星科, 1990; Kukalová-Peck, 1993; Kukalová-Peck & Lawrence, 2004）。近年来，进化发育生物学研究方法的不断改进，从分子水平探讨翅的起源和研究翅的发育和特化机理也取得了阶段性的成果（Morata, 2001; Averof & Cohen, 1997; Jockusch & Ober, 2004）。然而有关与昆虫前后翅相关的肌肉的三维形态及功能未见任何详细报道，从而成为研究昆虫飞行的一件憾事。与飞行相关的肌肉三维形态结构如何？翅的变化是否会影响到肌肉的形态变化？肌肉参与飞行时的具体功能是什么？详细的机制急待研究。在研究上述课题时，也可以将相关成果运用到仿生学中，如为虫形飞机，昆虫机器人等的研制提供思路，其意义也会很深远。
2）全变态类昆虫幼期及成虫期头部肌肉形态、功能比较研究及其在个体发育中的作用机理研究：
全变态类昆虫（complete metamorphosis）一生经过卵、幼虫、蛹和成虫4个不同的虫态，其幼虫与成虫间不仅在外部形态上很不相同，而且大多数情况食性与生活习性等方面也差异甚大。昆虫的头部是取食中心，其外部形态结构的变化也必然导致其内部肌肉的相应变化，如鳞翅目昆虫的幼虫多为植食性，以食料植物为栖息环境，而其成虫则访花吮蜜，有的种类完全不吃东西。而且全变态类昆虫在从幼期向成虫期过渡的个体发育过程中还需经历一个过渡虫态蛹。因此其不仅在身体外部发生显著的形态变化，身体内部结构也会发生相应的变化。但是与取食相关的肌肉的三维结构到底如何？其功能是什么？及其在个体发育中的机理均为未知数，亟需开展相关的研究工作。
本项目拟围绕上述二个重要问题，详细探讨显微CT技术在昆虫体内部精细结构形态与功能方面的应用研究，并为生物仿生学及系统学等方面的研究提供新的思路和方法。
?显微CT的自主研发
已有的显微-CT设备不能完全满足项目的使用要求，因此在研究进行的过程中，一方面消化吸收已有的硬件、软件技术，另一方面通过实践探索成像方式、成像标准、成像设备性能等方面的可能改进方案，争取获得自主的知识产权，逐步实现局部到整体的国产化。
整个显微-CT的国产化分为两个阶段进行，首先通过系统架构的认识和熟悉，研制离体显微-CT的国产化，在离体式显微-CT研制成功的基础上再进行活体显微-CT的国产化。
离体显微-CT与活体显微-CT从架构上存在着本质的区别，主要体现在旋转对象和数据流控制两方面。离体显微-CT处理的对象是昆虫、小动物或植物的标本，因此可以将被扫描对象作为旋转体，而X光球管、高压电源和数据采集系统(DAS)这些关键部件可以固定不动。活体显微-CT所处理的对象是活的昆虫和小动物，故不能将它们作为旋转对象，因为高速旋转会影响到其主要生理参数，甚至危及其生命，系统旋转对象只能是装有X光球管、高压电源和DAS的机架(Gantry)，而为了获得高分辨率的断层图像和快速的扫描速度，Gantry必须具有较高的旋转速度。显然，离体显微-CT与活体显微-CT相比，系统整机的复杂性相对降低。
在本项目的两年研制期内，计划完成离体显微-CT的研制。
五、研制项目已有的研究基础和支撑条件
5.1相关的研究工作和研制工作的基础，包括与该项目直接相关的工作进展程度，牵头单位及参加单位的相关技术能力等。
深圳先进技术研究院已经成立了显微-CT研究课题组，该课题组下属于“中国科学院生物医学信息与健康工程学重点室”。成员包括：芝加哥大学放射学系潘晓川教授（受聘为院生物医学信息技术研究中心主任）、胡庆茂研究员、马炘副研究员，并配备了一批助理研究员和研究生。团队具备了以下几方面的工作基础：
?CT系统设计：潘晓川教授在芝加哥大学的实验室已经开发了一套离体式显微-CT样机，
在系统整体设计方面已有相当基础。
?CT图像重建：潘晓川教授在扇束CT和螺旋锥束CT的重建领域有较多的研究成果，并
率先提出利用π-line 和chord来解决CT 多层次体积重建。而且，潘晓川教授在芝加哥大学实验室自行研制的一套显微-CT将作为本开发任务的实验样机。
?CT图像处理与应用：胡庆茂研究员和马炘副研究员的研究方向集中在图像分割、可视化
等领域，已有经验和积累将直接应用于数字昆虫的研究。
这三个方面的工作基础，能够为显微-CT研制过程中从系统设计、系统实现、图像重构、图像处理与应用的各个环节提供技术保障。
“中国科学院生物医学信息与健康工程学重点实验室”情况：重点实验室以生物医学信息学和健康工程学为主要研究领域。在生物医学信息学的研究方面，将致力于构建高效率、低成本的全民医疗体系提供核心关键技术；而健康工程学的发展将提供高质量的健康服务和提高人民的健康水平。重点实验室围绕生物传感、生物医学成像的主题，将在生物通道中的信息传输机理、高效生物信息获取、信息处理与数据融合等方向上集中开展研究，通过解决疾病预防和早期诊断关键技术中的基本科学问题，努力对全民健康战略目标的实现作出贡献，推动和引领生物医学与健康工程学科的发展，并促进我国医疗器械产业的突破。
实验室主任：张元亭，男，博士，研究员。1990年于加拿大University of New Brunswick获得博士学位。目前担任中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所所长、香港中文大学生物医学工程联合研究中心主任、香港中文大学生物医学工程学部主任、广州中山大学医学院生物医学工程系(兼)主任。1989年至1994年间，在加拿大University of Calgary担任副研究员和客座副教授。国际医学与生物工程院院士，美国医学与生物工程院院士，IEEE Fellow，曾担任IEEE生物医学工程学报和IEEE移动计算学报的副主编以及IEEE通讯杂志和生物医学信息技术学报的特邀编辑。张教授1999年被选为IEEE-EMBS执委会委员，并于2000年担任该国际学术组织副主席。目前，他担任由IEEE出版的生物医学工程系列丛书编委会成员，IEEE-EMBS 穿戴式系统与传感器技术委员会委员，中国医疗器械信息编委会成员以及国际神经工程与康复杂志副主编，IEEE生物医学信息技术学报主编。研究领域为可穿戴式医疗器械、远程医疗和移动医疗(m-Health)、躯域/感网络(Body Area/Sensor Networks)、生理建模及其在生物信号处理中的应用、神经工程等。
中科科学院动物研究所前身是1928成立的静生生物调查所，历史悠久、人才辈出。动物所曾产生过12位中国科学院院士（学部委员），他们是我国许多动物学分支学科的奠基人和开拓者。在熊猫等濒危动物保护、反细菌战、蝗虫和鼠害防治、生殖避孕等领域做出过重要历史性贡
献。
在中国科学院知识创新工程的推动下，近年来动物所综合科技竞争力不断攀升，在动物克隆、虫鼠害治理、外来种预警、动物疫病防控、动物志编研、生物多样性保护等方面取得了重要成果。
动物研究所下设动物标本馆，该馆拥有亚洲最为丰富的动物标本收藏。动物标本馆同时也是我国历史最长的标本收藏机构，其前身可以追溯到1860年法国传教士韩伯禄创建的徐家汇博物馆。目前，动物标本馆共收藏有各类动物标本500余万号。标本馆分设有鱼类标本馆、鸟类标本馆、两栖爬行动物标本馆、兽类标本馆、无脊椎动物标本馆和昆虫标本馆6个分馆。这些硬件条件将为利用显微CT建立“数字昆虫”的整体工作提供必备条件。
深圳先进技术研究院与中科科学院动物研究所在此过程中将建立紧密合作关系，共同完成显微CT研发工作，同时为今后的深入合作做好准备。
5.2项目单位的资金条件和其它配套条件
深圳先进技术研究院在科研经费上得到中国科学院和深圳市的大力支持，在一年多的期内已经争取到国家、省、市和国际合作项目经费超过3000万元。对“中国科学院生物医学信息与健康工程学重点实验室”，先进院已经投入设备经费1004万；在期结束之前，还将持续投入资金2000万。本设备研发项目为实验室的核心项目之一，关系到实验室的整体布局，实验室将为项目提供充足的人力和资金保障。同时，向深圳市科信局申请200万元配套。总经费500万元将为项目提供比较充裕的经费支持，以保证项目的按期、保质完成。
六、研制项目的技术方案
6.1技术路线及设计图
项目的实施如以下框图所示：
(1)建立适用于获得昆虫微观断层扫描的显微-CT实验平台，包括硬件和软件两方面的工
作。首先是准备适合显微-CT工作的场地和环境。根据显微-CT的使用要求，设计并制造针对不同昆虫的承载平台，需要仔细考虑昆虫的大小、固定的方式等因素。然后进行大量的实验，探寻不同昆虫、不同部位、不同处理方式(例如：是否进行管道注射造影剂)等条件下的最佳成像方式。计划首先以蜻蜓和甲虫的标本作为研究对象，原因在于：这两种昆虫标本比较常见，容易获得；体积适合现有显微-CT的有效工作范围；蜻蜓肢体柔软，可代表软体昆虫一类，并具有复眼、翅膀结构；甲虫被覆坚硬外科，可代表硬体昆虫一类。软件方面，主要在前面大量实验的基础上，进行总结和归纳，形成较为完整的参数设定和成像的标准，并以此为基础设计并实现针对性的成像算法模块。
(2)利用建成的实验平台对研究对象进行扫描，获得高分辨率的断层扫描图像集。能够实现
的分辨率取决于显微-CT的能力。由于昆虫体积较小，而且期望能够获取内部复杂结构的微观信息，项目中计划实现的空间分别率为10微米或更低。
(3)在完成图像锐化、去噪等预处理后，进行图像的分割提取。针对分割对象的不同(例如：
外轮廓，内部结构或者其他特殊部位)，需要设计和实现不同的自动分割算法。考虑到自动分割算法难以完全而准确地完成分割工作，因此必须开发适合于自动和手动分割协同进行的工具。这个工具首先运行自动分割算法，然后提供手动的工具对结果进行修正和补充，同时提供实时的、可定制的三维渲染结构，方便对分割结果的实时观察和调整。
(4)在图像分割的基础上，建立表面网格合体网格模型。为了提高网格质量，需要运用
Subdivision算法进行处理，进一步完善网格生成、表面渲染、体渲染的速度和质量。
(5)利用完成的表面网格和体网格，进行可视化工作。由于网格模型中包含了图像分割的结
果，在可视化平台上通过交互工具可以实现对可视化结果的整体或局部的各种操作。计划实现的交互工具有：
a)基本测量工具：二维距离测量工具，测量显示平面上任意两个点之间的距离，并提
供平行标尺测量组织最大跨度、管状结构直径等参数；体积测量工具对整体或局部
进行体积计算；角度测量工具测量在二维显示平面上测量任意三点构成的角度；
b)图像操作工具：有模型的二维、三维可视化，整体或局部组织旋转、移动、放大、
缩小，操作过程记录、回放等功能；有切割面工具，提供平面、曲面、自定义平面
等多种形式的工具，模拟并显示切割面与模型相交的结果，对相应模型作结构分离
处理。
另外，考虑由于分辨率高，一套完整的数据集可能的数据量庞大，实现中将采用GPU 技术以保证可视化的效果。
(6)完成可视化后即获得一个视觉意义上的可交互的“数字昆虫”。在对大量昆虫进行相似
处理后，并加入大量昆虫学知识后，可以构建全新的“数字昆虫博物馆”。这是一项工作量庞大的长期工作。本项目的施行将为这个目前打下坚实的技术基础。
(7)显微-CT的自主开发的步骤(从零部件到获得影像)如下：
a)系统设计
根据成像物体（昆虫）的大小和特性，确定成像视场FOV、需要达到的空间分辨、射束特性、源物距SOD、源探测器距离SDD。
b)关键部件选用
根据系统要求，选择关键器件微焦斑X射线源(焦斑大小，管电压kVp, 管电流μA，束角)、X射线探测器（像素数，像元大小）和旋转台（旋转精度）。
c)硬件及控制系统的设计，硬件部分主要涉及到三大块，1）高压电源，2）数据采集系
统，3）运动控制系统，这三部分可以利用我院在汽车电子和机器人方面的技术优势。
d)控制软件及工作站设计，这部分主要包括运动控制软件算法，上位机和下位机的控制，
人机界面，重建算法和工作站软件。
e)系统整机联调，在机械、硬件和软件三大部分的配合下，整机联调，修正相关系统参
数。
最终实现的系统示意图如下：
探测器
(结构为在体式，改用下面的离体式示意图)
6.2技术创新点，关键技术和解决方案
由于在微米级分辨率下的CT图像分析及影像解释是全新的内容，虽然已经有了一些可用的、商业化的器械、软件，但仍有众多的科学问题存在。具体考虑科研团队的研究基础和特长，就这个长期的研究方向提出了一系列拟解决的关键问题。
(1) 海量数据的快速、自动处理及可视化。由于显微CT的特色是超高分辨率，获得的图像数据集通常比较大，尤其随着分辨率和成像范围的进一步提高，数据集将变得越来越庞大。而且，由于研究的对象是细微结构，每一幅图像包含的信息量也非常丰富。这就对这样的“海量数据”的快速、自动处理提出了挑战。利用我们已有的在分割及可视化方面的成果，探讨适宜于显微CT海量数据的要研究快速、高效的算法实现新算法。
(2) 符合不同昆虫种类，针对昆虫体不同器官的成像检测标准或算法模块。这是进行昆虫显微结构研究过程中，一个瓶颈所在，是必须解决的关键问题。标准的科学制定将从根本上促进具有自主知识产权的新型成像设备的开发与实际应用。
(3) 成像方式的改进。在传统的圆周扫描成像、螺旋扫描成像的基础上，进一步研究个性化的、局部扫描方式，可以提高显微CT使用的灵活性和成像的速率，适应于更广阔的应用范围和特殊情况。
（4）探讨把显微CT技术运用于显示昆虫体内精细结构形态，发展成为快捷和无损伤地提取进化、行为、年龄和生长、首次繁殖年龄等信息的有效工具，拓展形态学研究的新领域，并把形态学研究提高到崭新的高度和深化其在仿生学中的应用。
6.3研制项目验收指标
1、科研装备的功能验收指标：包括国内外同类科研装备的功能和具体参数列表对比；
项目中计划开发适用于昆虫和小动物的整套X-射线显微CT成像设备。项目预期计划为24个月，其中系统设计3个月，硬件设计加工7个月、软件设计7个月，系统组装与整机联调7个月。预期达到的主要性能指标与国外同类科研装备（国内尚无自主生产同类产品的能力）的功能和具体参数对比列表如下：
2、验收方案（说明对列明的主要指标如何进行验收）；
项目周期为两年，预计在2010年年底之前验收。
分为三个方面进行验收：
?硬件系统性能：
?关键部件X线球管的焦点直径和工作寿命达到设计要求（定制厂家提供保证）：焦
点直径不大于5微米，工作寿命大于15000小时。
?扫描速率：由探测器的读出速度决定，2－9分幅/秒。
?成像范围：样品大小40 mm。
?成像性能：