生物医学成像技术篇1
在体成像技术的发展及成像策略的不断提高，能够在活的生物体内揭示细胞和分子水平的诸多细微变化，有助于在生物整体、真实的体内环境中高时间分辨率地研究生命过程。针对某一生物过程的带有光学标记的报告基因已被广泛应用于细胞生物学的研究，近年来正被更多地用于在活的动物模型中探究人体内生理机能和疾病的生物学过程。利用荧光蛋白、萤光素酶基因等生物材料标记细胞、病原体和基因，早已被证实是一种在体内设置“检测器”、体外直观检测的非常可行的策略[1]。
1在体生物发光成像技术的原理
通过生物技术将构建的以萤光素酶基因作为标记基因的载体（重组原核表达质粒、重组真核表达质粒或重组病毒），经转化、转染或感染并筛选得到重组病原菌、细胞（如免疫细胞、肿瘤细胞、胚胎干细胞等）或重组病毒（如腺病毒、慢病毒、逆转录病毒等）用于转入小动物；或是将含萤光素酶及调控序列的载体线性化后经显微注射等技术稳定整合于小动物基因组制备转基因动物[2－4]。标记基因的表达可通过多种调控元件进行调控，如靶基因的启动子和增强子等；标记的方法因研究领域、研究目的和实验策略的不同而各异[4]，但最终都是在体内组织如血液、肝脏、脑、脾、肾等靶部位因特定生物过程的发生而伴随产生有酶活性的萤光素酶。在注入底物即萤光素的条件下，萤光素酶催化底物反应产生特定波长的光信号，通过成像系统可以直观检测到光信号的产生及变化，实时反映体内发生的生物过程，如基因的调控表达、信号传导、蛋白质之间的相互作用、细胞增殖与分化等。因此，在体生物发光成像技术可广泛应用于分子生物学、细胞生物学、病毒学与免疫学、肿瘤学等研究领域[5－8]。
2在体生物发光成像技术的应用
2．1标记于肿瘤细胞、免疫细胞、胚胎干细胞等，转入体内后进行成像
萤光素酶基因作为一种报告基因，最初应用于体外培养细胞内目的基因的表达研究。在体生物发光成像技术的发展，使其能够应用于在体组织细胞的表达研究[9]。萤光素酶是一类生物发光酶，1种细胞可同时被2种具有不同底物的萤光素酶标记。例如其一可由一组成性稳定表达的启动子驱动，作为内参，反应细胞数量的变化；另一萤光素酶由要研究的组织特异性启动子驱动，其发光信号的变化，在消除细胞数量变化的影响后就可反映特定的启动子在动物体内的表达活性[10－11]。
2．1．1肿瘤及抗肿瘤研究在体生物发光成像技术可直接实时地监测各种癌症模型中肿瘤的生长和转移，并可对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测和评估，能够无创伤地定量检测小鼠整体的原位瘤、转移瘤及自发瘤。Klerk等[12]研究证实了利用此技术测量肿瘤负荷具有很高的可靠性。minn等[13]应用该技术进行了乳腺癌肺转移相关基因的研究，他们构建能够表达荧光蛋白、萤光素酶的反转录病毒载体，并稳定转染已获得的不同亚群肿瘤细胞，先通过荧光激活细胞分选术筛选同一亚群内具有相同转染效果（稳定表达外源蛋白即荧光蛋白和萤光素酶，且水平一致）的细胞，并尾静脉注射免疫缺陷小鼠，通过检测生物发光的部位和大小，评价不同亚群肿瘤细胞向肺部位的转移情况及其转移能力，再通过检测细胞内各基因的表达差异来分析肺转移相关基因。Gupta等[15－16]又用相似的方法来研究乳腺癌脑转移相关基因及乳腺癌肺转移过程中分化基因介导的肿瘤再起始，结果再次显示了生物发光成像技术应用于肿瘤及癌转移机理研究领域的优越性。
2．1．2抗肿瘤免疫及肿瘤细胞疫苗的研究用带有生物发光标记基因的小鼠淋巴细胞或基因修饰的肿瘤细胞疫苗，可以检测放射及化学药物治疗的效果，并可寻找在肿瘤骨髓转移及抗肿瘤免疫治疗中复杂的细胞机制。Cayeux等[17]用萤光素酶基因标记基因修饰的肿瘤细胞疫苗来免疫小鼠，而用另一种底物不同于前者的5，6－carboxy－succinimidyl－fluorescein标记该小鼠内一种与肿瘤相关的免疫细胞，通过2种不同的标记研究了基因修饰的肿瘤细胞疫苗免疫小鼠后抗原递呈、免疫细胞之间的相互作用及不同免疫细胞在体内免疫过程中的作用。
2．1．3药物促肿瘤细胞凋亡的研究当萤光素酶与抑制多肽以融合蛋白形式在哺乳动物细胞中表达，产生的融合蛋白无萤光素酶活性，细胞不能发光，而当细胞发生凋亡时，活化的caspase－3在特异识别位点切去抑制多肽，萤光素酶活性得到恢复，由此可用于观察活体动物体内的细胞凋亡相关事件。细胞凋亡时被激活的caspase－3／7与DeVD－氨基萤光素（aminoluciferin）特异结合而被酶解为氨基萤光素，它可被萤光素酶识别而产生生物发光信号。Liu、Hickson等[18－19]利用这一现象设计的细胞凋亡检测方法均能够以极低的DeVD－氨基萤光素量获得较强的发光强度，因而这一方法可用于评价tnFα（α肿瘤坏死因子）、FasL、tRaiL（tnF相关促凋亡配体）等因素针对肿瘤的治疗效果。
2．1．4胚胎干细胞及再生医学的研究胚胎干细胞在再生医学领域极具应用前景，然而注入活机体的胚胎干细胞及其分化细胞尚存在显著的细胞死亡、畸胎瘤的形成、宿主免疫排斥反应等障碍。应用在体生物发光成像技术，可对胚胎干细胞本身及其在注入机体后的存活、增殖、分化等生物事件的发生机理进行深入研究，从而使上述诸多问题得以解决[20]。
2．2标记病原微生物，用于研究感染致病机制、转移途径及宿主免疫反应等
在感染性疾病的研究中，在体生物发光成像技术的应用，不仅可以提供疾病进程中观测病原体在动物体内的寄居部位、数量变化及对外界因素的反应等实时变化信息，而且更有助于揭示感染体内病原体逃逸宿主防御的机制[21]。对病原体感染过程非侵入性的检测能够对疾病进程实时地提供新的信息，且有可能发现新的感染位点[22]。Lucker等[23－26］以萤光素酶基因标记HSV－1（单纯疱疹病毒）并分别侵染Ⅰ类干扰素受体缺失、Ⅱ类干扰素受体缺失、Ⅰ和Ⅱ类干扰素受体均缺失的小鼠，可观察到HSV－1对不同干扰素受体缺失小鼠的肝脏、肺、脾、淋巴结的侵袭，及病毒从血液系统进入神经系统的过程，从而证实了不同干扰素在HSV－1感染中所起的不同的作用。Lucker等[27]针对痘苗病毒的类似研究也证实，不同干扰素在机体感染过程中各自和协同发挥的重要作用。#p#分页标题#e#
2．3标记于基因治疗载体用于探究基因治疗机制和评价治疗效果
将一个或多个目的基因安全有效地转入体内靶细胞可用于基因治疗，应用萤光素酶基因作为报告基因构建载体，观察目的基因是否能够在试验动物体内持续高效和特异性表达。这种非侵入方式具有容易准备、低毒性及轻微免疫反应的优点。萤光素酶基因也可以插入脂质体包裹的Dna分子中，用来观察脂质体为载体的Dna运输和基因治疗情况。Smith等[28]已经运用该技术进行了HSV作为肝脏疾病基因治疗载体的可行性研究。Chou等[29]将带有萤光素酶基因标记的稳定表达肝细胞癌抗原的质粒转入沙门菌减毒株，并作为疫苗口服免疫模型小鼠，在体成像显示了体内沙门菌成功表达抗原和沙门菌作为活菌疫苗在体内的清除过程。
2．4蛋白质间相互作用、信号转导等的研究
蛋白片段互补策略广泛用于研究细胞内蛋白质间的相互作用，这种策略在借助在体生物发光成像技术后就可以被运用到活体动物内，以非侵入、可量化、实时地显示蛋白质之间的相互作用[31]。在动物体内直接观察细胞中或活体动物体内2种蛋白质的相互作用，可将Firefly萤光素酶（Fluc）的n端与C端分离开，分别与2个可能产生相互作用的目的蛋白相连，并使2组蛋白由不同的载体分别诱导表达。在体的细胞内若2个目的蛋白能靠近并结合形成完整的Fluc，则会产生发光信号。andrea等[32]建立了一种转基因报告小鼠，由特异启动子（tgG4F（＋／－））及其转录反式作用因子多联体蛋白Gal4进行调控。将融合了Gal4BD的p53和融合了Vp16的tag的病毒载体共转入该小鼠的肝脏细胞，在小鼠肝脏部位观察到了明显的发光信号，显示p53与tag的结合引发Gal4BD与Vp16结合，结合的多联蛋白顺利与启动子tgG4F（＋／－）结合，进而引发Fluc在肝脏组织的表达。
2．5体内干扰Rna及Dna疫苗的研究
目前Rna干扰技术已经发展成为一种体外转录后沉默基因的方法，在体内Rna干扰的转录后表达沉默可以引起各种广泛的生物学效应，因此生物发光在体成像技术有力地促进了体内Rna干扰的研究和在体内利用Rna干扰技术进行其他疾病机理及生物治疗的探索。mcCaffrey[33]等通过将表达萤光素酶的真核表达载体与针对萤光素酶基因设计的双链小干扰Rna（siRna）共注射成年小鼠，与对照组比较，前者的荧光强度明显减弱，表明针对性的双链siRna明显起到抑制基因表达的作用。他们还构建表达功能性小发夹Rna（shRna）的真核表达载体，与表达萤光素酶的载体共注射成体小鼠，与对照组相比，同样观察到长时程后荧光强度明显减弱。Rna干扰技术成功用于临床治疗须保证双链siRna有效转入体内并维持有效的浓度，而借助在体生物发光成像技术则可便捷准确地评价双链siRna运送方法的效果。takeshita等[34－36]已利用该技术分别对各自所设计的不同的双链siRna运送方法进行了全面的评价，并发现合理的运送方法，如双链siRna与某些小分子化合物的连接修饰与单独的注射双链siRna相比，前者能使双链siRna在体内较长时间内不被降解。Rna干扰可作为传统Dna疫苗的补充，被用以在体内消除免疫抑制因子表达。Dna疫苗的效应常常因相关的信号转导途径下调该获得性免疫反应而受到限制。因此，免疫抑制性的信号途径的沉默将是Dna疫苗效能得到加强的一种极有潜力的策略。Huang等[37]应用在体生物发光技术所做的研究结果显示，皮下注射编码shRna的Dna，可以作为体内基因沉默和一种能够有效提高Dna疫苗效果的手段。
2．6标记于转基因载体建立转基因动物模型
2．6．1基因表达动物模型为研究目的基因是在何时、何种刺激下表达的，可将萤光素酶基因插入目的基因启动子的下游，并稳定整合于实验动物染色体中，形成转基因动物模型。可用于研究动物发育过程定基因的时空表达情况，观察药物诱导特定基因表达及其他生物事件引起的相应基因表达或关闭。Chen等[37]将受胰岛素调控启动子调控表达萤光素酶的转基因小鼠制成糖尿病小鼠模型，采用在体生物发光成像技术证实了肝脏组织中含有可生成胰岛素的细胞。研究结果也证实了在转录调控序列和反式转录因子与目的基因相同的情况下，萤光素酶的表达水平及底物发光强度能够真实反映目的基因的表达状况。目前对于调控多药耐药性基因－1（mdr－1a）表达的关键因子和胞内微环境的机制尚不明了，使多药耐药性依然成为对癌症患者成功化疗的一大障碍。为深入研究mdr－1a在体内组织中转录调控的机制，Long等[38]通过胚胎干细胞同源重组、遗传杂交的手段构建了基因型为mdr－1a＋／Fluc的转基因小鼠（野生型基因型为mdr－1a＋／＋）。mdr－1a＋／Fluc中Fluc已完全置于mdr－1a开放读码框中，其表达受内源性mdr－1a启动子及相应各种反式作用因子的调控，western印迹等不同方法均验证了该模型mdr－1a的表达量与Firefly萤光素酶蛋白表达、发光强度成正比。该小鼠体内Fluc的表达与mdr－1a的表达在时间、所处的微环境均完全一致，可作为研究各种因素下mdr－1a表达调控的理想的动物模型。类似的研究所建立的模型能弥补体外细胞培养不能提供的特定基因表达的真实微环境的缺点，也能弥补基因敲除小鼠存在的代偿效应等不足[39]。
2．6．2各种疾病模型研究者根据研究目的，将致病基因、病毒及细菌进行萤光素酶标记，转入动物体内形成所需的疾病模型，包括免疫系统疾病、感染疾病等。除可提供靶基因在体内的实时表达和对候选药物的准确反应，还可以用来评估候选药物和其他化合物的毒性，为药物在疾病中的作用机制及效用提供研究方法。Hsieh[40－41]等将受前列腺特异性抗原启动子调控表达萤光素酶转基因小鼠（spSa－Luc），与前列腺癌转基因模型小鼠tRamp杂交，经检测筛选得到的子代小鼠tRamp－Luc随前列腺特异性抗原的表达稳定产生萤光素酶。因此，该小鼠借助在体生物发光成像技术已被成功地用于前列腺癌的发生及转移研究。
3在体生物发光成像技术的发展趋势
生物医学成像技术篇2
物理学的很多新理论都为医学影像检查技术带来了革新，X射线、激光、电子显微镜、核磁共振等技术为医学研究及临床应用提供了新的方法和手段，对现代生命科学的发展作出了突出的贡献．借助于某种能量与生物体的相互作用，提取生物体内组织或器官的形态、结构以及某些生理功能的信息，为生物组织研究和临床诊断提供影像信息。
20世纪中叶，一批物理学工作者进入医学领域，从事肿瘤放射治疗及医学影像的研究．并于1958年成立了美国医学物理学家协会，1963年成立了国际医学物理学组织．并将具有定量特征的物理学思想和技术引入到临床的诊断和治疗中．物理学与医学的结合不仅促进了医学的发展，也对物理学的发展起了推动作用．
1声学的应用
超声成像90年代以来，由于数字化处理的引入，高性能微电子器件及超声换能器的出现，以及各种图像处理技术的应用，超声成像的新技术、新设备层出不穷。超声不但能显示组织器官病变的解剖学改变，同时还可应用Dopper技术检查血流量、血流方向，从而辨别器官的病理生理受损性质与程度。超声诊断采用实时动态灰阶成像，在掌握正确剂量的前提下，可连续对器官的运动和功能实施动态观察，而不会产生像X射线成像那样的累积效应及危险的电离损害。由于超声诊断具有无损伤性、检查方便、诊断快速准确、价格便宜、适用范围广泛等优点，得以在临床中迅速推广。超声波成像的物理基础是超声医学的基础，超声成像是利用超声波遇到介质的不均匀界面时能发生发射的特性，根据检测到的回波信号的幅度、时问、频率、相位等，得到体内组织结构、血液流速等信息．
2光学的应用X射线成像
X线实际上是一种波长极短、能量很大的电磁波。医学上应用的X线波长约在0.001--0.1nm之间。X射线穿透物质的能力与射线光子的能量有关，X线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X显得穿透力也与物质密度有关，密度大的物质对X线的吸收多，透过少；密度小则吸收少，透过多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的骨骼与肌肉、脂肪等软组织区分开来，者正是X线透视和摄影的物理基础。X射线成像包括X射线透视和摄影、X射线计算机体层成像．X射线计算机体层成像是以测定人体内的衰减系数为基础，采用一定的数学方法，经计算机处理，重新建立断层图像的现代医学成像技术［1］．X射线的几种特殊检查技术，分别是X射线的造影技术、X射线的断层摄影、数字减影．
3电磁学的应用磁共振成像
mRi成像的先决条件mRi成像的先决条件是被成像样品中的原子核必须具有磁性，而这种磁性源于原子核本身的自旋运动.因此，对原子核等微观粒子的自旋属性进行的深入研究是量子力学取得的重要成果之一，客观上也是mRi得以产生的知识前提.磁共振成像利用了人体内水分子中的氢核在外磁场中产生核磁共振的原理．由于人体不同的正常组织、器官以及同一组织、器官的不同病理阶段氢核的弛豫时间有显著不同，利用梯度磁场进行层面选择和空间编码就可以获得以氢核的密度、纵向弛豫时间、横向弛豫时间作为成像参数的体内各断层的结构图像．近年来产生很多新的成像序列和技术方法．如扩散加权成像是通过测量人脑中水分子扩散的特性来反映组织的生化特性及组织结构的改变，在临床上可用于急性脑梗塞的早期诊断［2］．螺旋浆扫描技术，明显消除患者因运动或金属异物造成的伪影，可生成高分辨率、无伪影、具有临床诊断意义的理想图像。
4原子核物理学的应用放射性核素成像
放射性核素成像的物理基础放射性核素具有放射性，利用放射性核素作踪剂，结合药物在脏器选择性的聚集和参与生理、生化功能，达到诊断疾病的目的。检察方法有4种：扫描机、照相机、单光子发射计算机体层和正电子发射计算机体层(pet).核素检查中产生的正电子只能存在极短的时间，当它被物质阻止而失去动能时，将和物质中的电子结合而转化成光子，即正负电子对湮没．转变为两个能量为0．551meV的光子，并反冲发出．放射性核素在正常组织和病变组织分布不同，产生的光子强弱也有不同，pet成像技术通过探测光子对的差别形成影像．
5结语
影像物理学在影像检查技术中的意义非常重要，对影像检查技术的发展影像深远，随着影像物理学的不断发展，新的影像技术不断出现，必将对疾病的诊断总出更大的贡献。
参考文献
生物医学成像技术篇3
【关键词】光电子技术，光医学，光保健，学科现状，发展趋势
一引言
生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。
激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段，推动人类科学技术进入新的发展阶段。
可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。
在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。
随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。
国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。
福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。
二国内外现状
光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin出版公司于1991年发行了“Bio-photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“appliedoptics”也于1996年将其“opticaltechnology”栏目扩充为“opticaltechnologyandBiomedicaloptics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。Spie亦于1996年创办了期刊JournalofBiomedicaloptics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCi影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（niH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（niBiB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国niH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在niH的支持下，美国国家癌症研究所（nCi）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（ntRoi）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国niBiB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国niH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SaiRps）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（nSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonicspartnershipinitiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognitionunderstress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（theCenterforBiophotonicsScienceandtechnology），其中4000万美元由nSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（photonicswest）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BioS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BioS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，iBoS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science，nature，pnaS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定Dna化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“Dna芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。
我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为“生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如oCt、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、pDt光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：
（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；
（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；
（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。
三医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况
“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。
30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCi、ei收录的论文均超过100篇。
实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。
中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。
重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。
重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。
重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。
“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。
四发展趋势和展望
光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中，与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。
在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。
在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。
值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。
今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：
（一）医学光子学基础
在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。
组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。
（二）医学光子学光谱诊断技术
医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。
生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。
近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。
超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。
（三）医学光子学成像诊断技术
发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：
超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。
散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。
红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。
光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，oCt能进行众多功能成像，如分光镜oCt、多普勒oCt、偏振oCt：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。
荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如naDH、FaD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。
光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性，将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合，以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法，对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力，可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。
非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。
人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。
4.医用激光治疗技术（激光医学）
强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。
低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。
光动力学治疗（pDt）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助pDt相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。
激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。
生物医学成像技术篇4
20世纪60年代，美国一些著名大学先后开启了生物医学工程学科的建设，相继启动了生物医学工程专业人才的培养。美国的生物医学工程教育特点是在技术产业化需求驱动建立起来的具有其自身特性，且反映了生物医学工程学科建设与发展的前沿特征。各个学校的本科教育课程虽然具有自己的特色，但在课程设置上大致可以分为科学基础课程、专业核心课程、关注领域课程、设计课程、人文与社会科学课程、专业选修课程及其他选修课程等六类。不同学校本科课程的主要差异体现在专业选修课程及其他选修课程的设置上，各个学校根据自身的生物医学工程领域的研究方向和研究水平特点开设一些相应的选修课程，并培养学生在相应方向上的研究探索实践能力。这是美国生物医学工程本科教育的基本特点。
我国生物医学工程专业教育起步于20世纪80年代，主要发源于著名工科院校的信息技术类专业和力学专业，进而逐渐形成的生物医学工程专业教育，后来，一些医学院校在医学物理和医用计算机技术的基础上相继开展了生物医学工程专业教育，于是在我国基本上形成了这样两种类型的生物医学工程学科。上述两类院校的生物医学工程学科建设发展模式各具侧重，遵循了共同的学科基础，在培养生物医学工程专业人才的应用层面上有显著特点。相对来说，工科院校的生物医学工程培养模式注重工程技术的开发和功能拓展，医科院校则注重医学与工程结合、工程技术在医学中的综合应用。
1.中国生物医学工程学科发展思路
生物医学工程是一种交叉学科，交叉的学科基础及其融合的紧密程度决定了生物医学工程学科的发展水平，交叉的学科发展推动着生物医学工程学科的发展，并且使得生物医学工程学科研究领域变得十分广泛，而且处在不断发展之中。
1.1学科发展轨迹
在中国，基于电子信息工程发展而来的生物医学工程学科，主要包括生物医学仪器、生物医学信号检测与处理、生物医学信息计算分析、生物医学成像及图像处理分析、生物医学系统建模与仿真、临床治疗与康复的工程优化方法、手术规划图像仿真以及图像导引手术及放疗优化等；有基于力学发展而来的生物医学工程学科，主要包括生物流体力学、生物固体力学、运动生物力学、计算生物力学和微观尺度的细胞生物力学等；基于化学材料工程发展而来的生物医学工程学科，主要包括生物材料学、组织工程与人工器官、物理因子的生物化学效应等。
1.2学科发展特点
作为交叉学科的生物医学工程学科，其发展的关键在于交叉学科间的交叉融合。构建一种良好的交叉结构，对推动交叉学科的发展具有至关重要的作用。约翰霍普金斯大学对于生物医学工程这样的交叉学科的描述有一个形象的说法：交叉学科如同在不同学科之间建立起连接桥梁，如果在河两岸没有坚实的基础，桥是无法建立好的，对于生物医学工程这样一座建立在两个不同学科之间的桥来说，它的发展要求具有坚实的交叉学科基础和交叉学科紧密融合深度。那么在生物医学工程学科构建良好的交叉结构，需要选取具有理论支撑和技术支撑的主干学科进行交叉，凝练学科方向，不能大而全，过于宽泛。
目前，医学仪器和医学成像技术具有良好的应用和发展前景，应该成为生物医学工程学科的重点发展方向。医学仪器和医学成像设备能有力推动医疗产业的发展。医疗仪器和医学成像设备是现代医疗器械产业中的主流产品，在产业发展中起着主导和引领作用。其发展水平已成为一个国家综合经济技术实力与水平的重要标志之一。产业化驱动也是学科发展的一种动力，也为学生未来职业发展奠定良好的基础。基于医疗卫生健康事业的需求和生命科学发展的大趋势，生物医学工程学科应大力促进医学仪器和医学成像方法的学科建设，从而提升整个学科的发展水平。
生物医学工程学科的建设离不开一流的学术研究和学术成果的应用。一流的学术研究不但能提升学科的发展水平，而且能开拓学科纵深发展，产生良好的经济效益和社会效益，进而增强学科服务社会发展的能力。学术研究的前瞻性和创新性将确保学科建设的发展动力和趋势以及学科发展的活力。
交叉学科往往具有不同程度的可替代性。可替代性程度越高，交叉学科存在的必要性就越小。如何减小生物医学工程学科可替代性的程度是需要深入思考的，是需要提升学科的特异性的。生物医学工程学的学术研究主要包括应用理论研究和理论应用研究，应用理论研究主要涉及生物医学工程领域所需要解决的科学问题，开展新理论、新方法的研究。理论应用研究主要涉及生物医学工程领域所需要解决的科学和技术问题，借助理工科的相关理论和方法开展应用基础研究和应用研究。应用理论研究是理论驱动型的学术研究，理论应用研究是应用驱动型的学术研究。理论驱动型和应用驱动型是生物医学工程学科学术研究的两种主要模式。理工科大学具有良好的理论创新基础和强大的交叉的学科背景，开展理论驱动型研究具有自身优势。医学院校具有丰富的医学资源，面临着大量需要应用理工知识解决的医学问题，开展应用驱动型研究，将很好地实现与医学的应用融合，具有较好的临床应用价值，有力推进医学的进步与发展。各自的学术优势将有利于生物医学工程学科特色发展，从而增强其不可替代的程度，实现学科可持续创新发展。
1.3学科体系
作为一级学科的生物医学工程，包含学科的理论体系和技术体系，且该体系离不开所交叉的学科的理论体系和技术体系的支撑，此外生物医学工程学科理论体系和技术体系既要有学科自身的特色，又要具有可持续发展和一定程度上的不可替代性，这样学科才会有旺盛的生命力。要面向医疗卫生、生物科学所涉及的重大、重要技术理论问题及基础应用开展学术研究。实现良好的学术研究定位，形成自己的理论体系和技术体系。
2.大数据时代的生物医学工程学科发展
守正创新是生物医学工程学科发展的必由之路，人类已进入大数据时代，所谓大数据（bigdata），或称海量数据，是指由于数据容量太庞大和数据来源过于复杂，无法在一定时间内用常规工具软件对其内容进行获取、管理、存储、检索、共享、传输、挖掘和分析处理的数据集。大数据具有“4V”特征：①数据容量（volume）大；②数据种类（variety）多，常常具有不同的数据类型和数据来源；③动态变化快，如各种动态数据，非平稳数据，时效性要求高；④科学价值（value）大，尽管目前利用率低，却常常蕴藏着新知识和重要特征价值或具有重要预测价值。大数据是需要新的分析处理模式才能挖掘分析出其蕴藏的重要特征信息[6。
人体生老病死的生命过程就是一个不断涌现的生物医学大数据发生源，这种源源不断的生物医学大数据的检测、处理与分析，将给生物医学工程学科的建设与发展带来新的机遇和挑战。模式识别、人工智能、数据挖掘和机器学习的发展将带动大数据处理技术的进步。生物医学大数据广泛涉及人类医疗卫生健康相关的各个领域：临床医疗、基础医学、公共卫生、医药研发、临床工程、心里、行为与情绪、人类遗传学与组学、基因和蛋白质组学、远程医疗、健康网络信息等，可谓包罗万象，纷繁复杂。生物医学大数据中蕴藏了种种有科学价值的信息，研究有效的大数据挖掘的新理论、新技术和新方法，对生物医学大数据进行关联和融合计算分析，充分挖掘生物医学大数据中的信息关联和特征关联和数据空间映射关联，既能为疾病的预防、发生发展、诊断和治疗康复提供系统化的全新的认识，有利于深入疾病机理研究分析，开展个性化诊疗。还可以通过整合系统生物学与临床数据，更准确地预测个体患病风险和预后，有针对性地实施预防和治疗。
生物医学工程学科所面临的生物医学大数据主要包括多模态医学影像数据、多种类医学信号数据以及基因和蛋白质组学的生物信息数据。生物医学大数据在生物医学工程学科领域内有着广泛深远的应用前景，从三个方面应用将推动生物医学工程学科的发展。
（1）开展多模态影像大数据计算分析。医学影像学科的发展从早期看得到，到看得清，目前的看得准，未来的趋势是看得早。只有看得准和看得早才有利于临床早期干预，提高治疗预期。医学影像大数据计算分析在影像诊断、手术计划、图像导引、远程医疗和病程跟踪将发挥越来越大的作用。
建立新的医学影像大数据计算分析模型和数值计算方法，挖掘多模态影像数据的特征数据和特征关联，将会提供强有力的影像诊断分析手段，极大地推动影像技术的发展，具有重要的临床应用价值和科学价值。
（2）开展多种类医学信号大数据计算分析。医学信号大多直接产生于生理和病理过程中的信号，能在不同层面上表达生理和病理相关机制特征。融合多种医学信号的大数据计算分析，能对生理病理过程进行更好更全面的阐释，不仅能深入了解生理病理的状态特征和过程特征，而且能实现个体健康监测和管理。可以很好地开展回顾性研究和前瞻性研究，推进系统化的医学应用研究。实现强大的多种医学信号数据的特征挖掘及特征关联计算分析。大数据挖掘能够增加准确度和发现弱关联的能力，能更好地认识生理病理现象和本质。
（3）开展基因和蛋白质组学的生物信息大数据计算分析。基因组学、蛋白质组学、系统生物学和比较基因组学的不断发展涌现了海量的需要计算分析的生物信息数据，已进入计算系统生物学的时代。开展生物信息大数据计算分析，可以拓展组学研究及不同组学间的关联研究。从环境交互、个体生活方式、心里行为等暴露组学，至细胞分子水平上的基因组学、表观组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、基因蛋白质调控网络，再到人类健康和疾病状态的表型组学等不同层面不同方向上实现大规模的关联计算分析，可以全面阐述生命过程机制，挖掘生命过程特征及关联特征。
3.结论
生物医学成像技术篇5
近10年来，在医疗成像、生理建模、传感系统及计算和网络技术、可视化和虚拟现实、人机交互和自动化等方面的巨大进步，使得生物医学工程有了快速、显著的发展。生物医学工程涉及了医药和生物科学的工程应用准则，包括生物医药、医疗成像、生理建模、实时系统、自动化控制、信号处理、图像重建、模式识别及生物力学等领域。目前，生物医学工程已经拥有了复杂的医疗诊断及治疗手段，越来越多的研究成果已经应用于临床，帮助我们开发新的植入物或假肢及创造新的医学成像技术和完善的工具集技术以用于疾病的检测、预防和治疗。
全书由两部分组成，共9章。第1部分先进的计算方法，包含第1-5章：1.生物医学图像分割中的图形算法技术。用于分割三维医学图像结构的图形方法，即图割法和多物体、多表面的分层优化图形图像分割法；2.医学图像处理中的信息论聚类。回顾了最近信息论框架下的集群方法，介绍了其能够在一幅表示不同组织特性的医学图像中寻找聚类的合适数量，提出了一种对于优化给定聚类配置质量的目标函数的聚类方法；3.多目标差分进化算法――基于模糊聚类的脑部mR图像分割算法。介绍了应用于同步优化多集群的基于多目标差分进化模糊聚类技术，详细地论述了用于底层优化的差分进化算法技术原理，阐述了在差分进化中聚类中心向量编码技术；4.丘脑皮层神经质量模型振荡动力学的功率谱及非线性分析。首先提出了在阿尔茨海默式症中的异常脑震荡研究中的多模态分析技术，接着介绍了一种结合了丘脑皮层神经质量模型功率谱分析与非线分析；5.蛋白质功能预测元学习方法。介绍了多尺度蛋白质生物功能预测算法，讨论了在蛋白质功能分析中使用元学习方法的优势，尤其是在蛋白质序列分析、三维结构比较、生物功能解释与分子间相互作用分析中，给出了对选定的生物系统进行整体行为预测的不同的计算方法及元学习预测系统。
第2部分生物医学应用，包括第6-9章：6.三维超声图像颈动脉分割。本章介绍了一种精确可靠的从三维超声图像中进行颈动脉分割方法，阐速了颈动脉血管分割算法，并证明了三维超声是一种对于在经动脉粥样硬化中前期后期的定量分析中的可行算法；7.结构神经元可塑性定量图像分析的一些当代问题。介绍了在微观层面脑结构研究过程，阐释了神经元可塑性过程，以解释大量神经退化性疾病原因，使用荧光共聚焦显微镜对脑组织图像进行定量分析；8.软骨和软骨下骨中的骨关节炎的先进核磁共振成像。概述了用以检测软骨及软过下骨组织、软骨生物组织的非植入性病理检测的核磁共振成像技术，介绍了在该领域的最新发现，及骨关节炎的检测和治疗方法；9.计算机断层扫描图像中基于下颌骨骨折的发际线检测的计算机视觉。本章介绍了可以从Ct图像中检测下颌骨骨折的发际问题，阐述了解决该问题的方法，即首先在二维Ct图像切片中确定颌骨的骨折发际线，接着使用最大流最小割算法检测的骨裂结构。
本书适合计算机科学、生物医学工程、电气工程与系统科学等专业硕士研究生阅读和学习，亦可作为对图像处理、三维重建、信息技术及生物医学研究感兴趣的其他专业学生参考书。对于在计算和分子生物学、生物工程以及图像处理的研究人员或从业人员，本书也会提供很有用的帮助。
（中国科学院空间科学与应用研究中心）
生物医学成像技术篇6
时间： 2003-4-14 作者：杨子彬
生物医学工程(Biomedical engineering,Bme)是一门生物、医学和工程多学
科交叉的边缘科学，它是用现代科学技术的理论和方法，研究新材料、新技术、新
仪器设备 ，用于防病、治病、保护人民健康，提高医学水平的一门新兴学科。
生物医学工程在国际上做为一个学科出现，始于20世纪50年代，特别是随着宇
航技术的进步 、人类实现了登月计划以来，生物医学工程有了快速的发展。在我
国，生物医学工程做为一 个专门学科起步于20世纪70年代，中国医学科学院、中
国协和医科大学原院校长、我国著名 的医学家黄家驷院士是我国生物医学工程学
科最早的倡导者。1977年中国协和医科大学生物 医学工程专业的创建、1980年中
国生物医学工程学会的成立，有力地推进了我国生物医学工 程的发展。目前，我
国许多高校科研单位均设有生物医学工程机构，从事着生物医学的科研 教学工作
，在我国生物医学工程科学事业的发展中发挥着重要作用。
显微镜的发明 “解剖”一词由希腊语“anatomia”转译而来，其意思是用
刀剖割，肉眼观察研究人体结构。17世纪Lee wenhock发明了光学显微镜，推动了
解剖学向 微观层次发展，使人们不但可以了解人体大体解剖的变化，而且可以进
一步观察研究其细胞 形态结构的变化。随着光学显微镜的出现，医学领域相继诞
生了细胞学、组织学、细胞病理 学，从而将医学研究提高到细胞形态学水平。
普通光学显微镜的分辨能力只能达到微米(μm)级水平，难以分辨病毒及细胞
的超微细结构 、核结构、Dna等大分子结构。而20世纪60年代出现的电子显微镜，
使人们能观察到纳米(nm )级的微小个体，研究细胞的超微结构。光学显微镜和电
子显微镜的发明都是医学工程研究 的成果，它们对推动医学的发展起了重要作用
。
影像学诊断飞跃进步 影像学诊断是20世纪医学诊断最重要发展最快的领域
之一。50年代X光透视和摄片是临床最常用的影像学诊断方法，而今天由于X线Ct技
术的出现 和应用，使影像学诊断水平发生了飞跃，从而极大地提高了临床诊断水
平。即计算机体断层 摄影(computed tomography Ct),即是利用计算机技术处理人
体组织器官的切面显像。X线Ct 片提供给医生的信息量，远远大于普通X线照片观
察所得的信息。目前，螺旋Ct(spiral Ct 或helicalet Ct)已经问世，能快速扫描
和重建图像，在临床应用中取代了多数传统的Ct， 提高了诊断准确率［1］。医学
工程研究利用生物组织中氢、磷等原子的核磁共振(nu clear magnetic resonanc
e)原理。研制成功了核磁共振计算机断层成像系统(mRi)，它不仅 可分辨病理解剖
结构形态的变化，还能做到早期识别组织生化功能变化的信息，显示某些疾 病在
早期价段的改变，有利于临床早期诊断。可以认为mRi工程的进步，促进了医学诊
断学 向功能与形态相结合的方向发展，向超快速成像、准实时动态mRi、mRa、Fm
Ri、mRS发展。 根据核医学示踪，利用正电子发射核素(18F，11C，13n)的原理，
创造 的正电子发射体层摄影(pet)，是目前最先进的影像诊断技术。美国新闻媒体
把pet列为十大 医学生物技术的榜首。pet问世不过30年历史，但它已显示出对肿
瘤学、心脏病学、神经病 学、器官移植，新药开发等研究领域的重要价值［2］。
影像学诊断水平的不断提高 ，与20世纪生物医学工程技术的发展密切相关。
介入医学问世 介入医学是一种微创伤的诊疗技术。Dotter和Judkin(1964 年
)是最早使用介入技术治疗疾病的创始人，他们用导管对下肢动脉阻塞性病变进行
扩张治 疗取得成功。1967年margulis首先使用过介入放射学(interventional Ra
diology)，这是医 学文献出现“介入”一词的最早记载。1977年 Gruenzing成功
地进行了首例冠状动脉球囊扩 张术获得成功以后，介入性诊疗技术由于其创伤小
、患者痛苦少，安全有效而倍受临床欢迎 。20世纪80年代随着生物医学工程的发
展，高精度计算机化影像诊查仪器、数字减影血管造 影(DSa)、射频消融技术以及
高分子(high-polymer)新材料制成的介入技术用的各种导管相 继问世，使介入性
诊疗技术发生了飞速进步，临床应用范围不断扩大，从心血管、脑血管、 非血管
管腔器官到某些恶性肿瘤等都具有使用介入诊疗的适应证，并使诊疗效果明显提高
，患者可减免许多大手术之苦。有人把介入诊疗技术视 为与药物诊疗、手术诊疗
并列的临床三大诊疗技术之一，也有人把介入诊疗技术称之为20世 纪发展起来的
临床医学新领域--介入医学［3，4］。
人工器官的应用 当人体器官因病伤已不能用常规方法救治时，现代临床医
疗技术有可能使用一种人工制造的装置来替代病损器官或补偿其生理功能，人们
称这种装置 为人工器官(artificial organ)。如20世纪50年代以前，风湿性心脏
瓣膜病的治疗，除了应 用抗风湿药物、强心药物对症治疗外，对病损的瓣膜很难
修复改善，不少患者因心功能衰竭 死亡。而今天可以应用人工心肺机体外循环技
术，在心脏停跳状态下切开心脏，进行更换人 工瓣膜或进行房、室间隔缺损的修
补，使心脏瓣膜病、先天性心脏病患者恢复健康。心外科 之所以能达到今天这样
的水平，主要是由于人工心肺机的问世和使用了人工心脏瓣膜、人工 血管等新材
料、新技术的结果［5］。
肾功能衰竭、尿毒症患者愈后不良，而人工肾血液透析技术已挽救了大量肾病
晚期患者的生 命，肾病治疗学也因此有了很大进步。
现代生物医学工程中人工器官的发展也非常迅速，除上述人工器官外，人工关
节、人工心脏 起搏器、人工心脏、人工肝、人工肺等在临床都得到应用，使千千
万万的患者恢复了健康。 可以说，人体各种器官除大脑不能用人工器官代替外，
其余各器官都存在用人工器官替代的 可能性。
此外，放射医学、超声医学、激光医学、核医学、医用电子技术、计算机远程
医疗技术等先 进的医疗技术和仪器设备都是现代医学工程研究开发的成果，综上
可见，20世纪生物医学工 程的发展，显著提高了医学诊断和治疗水平，有力地推
动着医学科学的进步。
21世纪生物医学工程展望 纵观医学新技术诞生和发展的 历史，从伦琴发现
X线到今天X射线诊疗技术的发展，从朗兹万发现超声波到今天B超诊断的 广泛应用
，从布洛赫和伯塞尔发现核磁共振到今天mRi的问世，从赫斯费尔德发明Ct到今天
C t成像系统的应用，都是以物理学工程技术为基础、医学需求为前提发展起来的
医学新技术 。循着20世纪医学发展的轨迹，我们有理由预测21世纪新的医学诊疗
技术可能在以下10个方 面有重大突破和创新：
(1)各种诊疗仪器、实验装置趋向计算机化、智能化，远程医疗信 息网络化，
诊疗用机器人将被广泛应用。［6］
(2)介入性微创，无创诊疗技术在临床医疗中占有越来越重要的地位。激光技
术，纳米技术 和植入型超微机器人将在医疗各领域里发挥重要作用。
(3)医疗实践发现单一形态影像诊查仪器不能满足疾病早期诊断的需要。随着
pet的问世和应 用，形态和功能相结合的新型检测系统将有大发展。非影像增显剂
型心血管、脑血管影像诊 查系统将在21世纪问世。
(4)生物材料和组织工程将有较大发展，生物机械结合型、生物型人工器官将
有新突破，人 工器官将在临床医疗中广泛应用。
(5)材料和药物相结合的新型给药技术和装置将有很大发展，植入型药物长效
缓释材料，药 物贴覆透入材料，促上皮、组织生长可降解材料，可逆抗生育绝育
材料、生物止血材料将有 新突破。
(6)未来医疗将由治疗型为主向预防保健型医疗模式转变。为此，用于社区、
家庭、个人医 疗保健诊疗仪器，康复保健装置，以及微型健康自我监测医疗器械
和用品将有广泛需求和应 用。
(7)除继续努力加强生物源性疾病防治外，对精神、心理、社会源性疾病的防
治诊疗技术和 相应仪器设备的研制受到越来越多的重视与开发，研制精神分析、
心理安抚、生物反馈型诊 疗技术和设备将是生物医学工程的新起点。
(8)创伤是造成青年人群死亡的主要原因，研制新型创伤防护装置、生命急救
系统是未来生 物医学工程的重要课题。
(9)即将迎来的21世纪是分子生物学时代，有关分子生物学的诊疗新技术将快
速发展，遗传 、疾病基因诊疗技术，生物技术和微电子技术相结合的Dna芯片、雪
白芯片和诊疗系统将被 广泛应用。
(10)空气污染、环境污染严重危害着人类健康，研究和开发劳动保护、家庭保
健、个人防护 用的人工气候微环境是未来不能忽视的问题。
1997年我国了关于卫生工作改革与发展的决定，提出了奋斗目标：“到2
000年，基本实 现人人享有初级卫生保健”，到2010年国民健康的主要指标在经济
发达地区达到或接近世界 中等发达国家水平，在欠发达地区达到发展中国家的先
进水平。1999年国家科技部召开了“ 发展生物医学工程技术战略研讨会”，国家
工程院开展了有关发展我国医疗器械工业战略研 究等，对推动生物医学工程产业
发展、落实创新工程战略布置起着重要作用。20世纪人类与 疾病做斗争，在医学
诊疗技术上取得了重大成就；但面向21世纪的巨大挑战，我们要动员起 来，调整
政策，制定规划，改革医学研究教学的旧模式，发挥现代科学多学科交叉合作的优
势，创建全新的生物医学，为人民造福。
参考文献
［1］Ge wang micheal wV. preliminary study on helical Ct algorithms for
pati ent motion estimation and compensation .ieee trans. medical imagi
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［2］minn H, Lapela m, Klemi pJ et al. predication of surviva l with fl
uorin-18-fluoro deoxyglucose and pet in head and neck caner. J nucl m e
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［5］Katircioglu F , Yamak B,Battalogla B, et al .Long term re sults of
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Heart Valve Dis, 1996,5(3)：302
［6］peredina a, allen a. telemedicine technology and clinical app lica
tion. Jama,1995,273：483-488
生物医学成像技术篇7
【关键词】医学物理发展现状
【中图分类号】G64【文献标识码】a【文章编号】2095-3089（2013）03-0156-01
医学物理是一门将物理学方法和原理运用到人类疾病诊断、预防、保健和治疗的一门交叉性学科。此学科当中不仅包含了核医学物理、医学影像物理、放射肿瘤物理以及其他的例如射频、激光、核磁、超声、微波等之类非电离辐射在内的物理手段在医学领域当中的运用，还包括了保健物理等内容的分支。该学科不光确保了医学物理在使用过程中的质量和效率，同时还保证了辐射使用的安全与防护。
1.医学物理的概念与现状
作为人类知识科学宝库当中的两条重要分支，医学和物理学不仅推动了科学的进步和社会的发展，同时根据时代的需求还新形成了医学物理这一交叉学科，这是科学随着人类社会发展而不断进行融合和交互的成功案例。作为发展中大国，虽然中国在核技术学科与核物理方面的发展和研究在世界上已经占有一定的地位，但是将核技术与核物理运用在民用和非核武器方面的进程却有些落后。
其实，在很早以前医学和物理学之间的结合就已经有所尝试，而当中的典范就是法国科学家居里夫人和德国科学家伦琴。居里夫人在放射性研究方面开创了历史，而伦琴则在射线领域取得了发现，将他们称之为医学物理的先驱也并不为过。经过历史的长期实践证明：要想为医学诊疗技术带来发展，为物理学的应用带来更广阔的空间，就必须将物理学和医学的应用相互结合起来。
2.医学物理的重点发展领域
2.1医学物理中的物理诊断学
作为医学物理诊断中的重点内容，无创伤影像诊断主要是将依据物理学的方法和原理所设计的成像装备，运用到人体不同层次信息的采集上，通过处理和分析成像的过程之中所取得的有效信息，为医生在临床诊断时提供定量和定性的数据分析，进而提高医生诊断时的准确率。
在这之中，包含了如何快速、准确地为诊断提供新的成像装备或装备中的部件；如何全面提高设备的指标与性能；如何挖掘当先设备的使用功能让其形成不同科室使用的不同特点；如何确保此类设备在临床的使用中对患者和医护人员的安全；如何实施诊断过程中的质量保证和控制以及对于辐射的防护等等一系列问题都是需要严格论证和思考的。
现在的医学成像技术对于收集人类心理学、生理学和人体解剖学等信息已是轻而易举，但是如何做到在单次的采集数据过程中，使用相同机器完成信息的互补与整合，是该领域今后发展的一项重要内容。在成像技术不断进步的今天，如何结合不同形态的成像设备所提供的信息，进而满足不同科室对特殊疾病的诊疗已是现在发展的必然趋势。从疾病诊疗的角度来说，医学物理中的物理诊断学正朝着早期诊断、准确诊断、疾病预防以及治疗过程里的影像检测等更为广阔的医疗领域中渗透。
2.2医学物理的设备仪器
随着科技的发展与社会的进步，那些依据物理学原理所设计和制作的各式诊疗装备和仪器都可以纳入医学物理的范畴之内，正是由于医学物理的不断发展，才能为此类设备和仪器的研究与设计提供新的技术、新的工艺和新的方法及原理。
就目前而言，诸如此类的各式治疗装备、成像装备、理化分析仪及理疗仪器等主要还是集中在医院的放疗科、核医学科、生化测量室和放射科等广泛使用数字化装备和仪器的科室，包括仪器装备本身所嵌入的大量医学软件在内，那些构成高技术产业群被医院定义为其核心的设备。
上述的装备和仪器已经占据了医院极大部分固定资产，是医院数字化和现代化的重要标志，同样也成为了很多地区和国家经济发展的新增长点。鉴于医学物理学科在发展的过程中，有机地整合了无线电电子工程、超声物理、核物理和核技术、放射医学、医学技术、生物医学工程、核医学、成像技术和肿瘤放疗学等相关学科的知识，如何逐步建立自己的学科体系，使之成为这些装备仪器的源头同样也是需要关注的问题。另外，对我国而言，此类装备仪器的国产化程度并不高，是重点需要发展和资助的产业。但从发展的趋势看，现代数字医疗装备当中核心软件所占的价值比例将远远超过硬件，充分体现了信息革命给产业结构带来的变化。
2.3医学物理中的信息学
当患者第一次进入医院时，将所采集到的病人的生化信息、电子病历和影像信息等信息来源与医院收费管理的系统和患者入院后医生对其指定和设计的治疗流程捆绑，在保证质量的同时，建立起医患间及时的信息沟通渠道，不仅体现了医院的现代化进程，更体现了以人为本的人性化管理模式。
由于此类信息化流程的管理和运作需要大量的医学软件，而且这些软件必须适应不同医院的工作习惯和流程而采取不同的设计，甚至有时候会对特别专家累计多年的病例和经验进行推广。所以，这就要求医学软件开发行业的从业人员具备良好的和医生沟通的能力，坚定长期为医院服务的理念。
虽然，建立数字医院是一种医院发展的新的良好模式，但是，在使用此类行业模式的过程中必须要注意建立形成新的行业发展规范，就如同当前建筑行业一样，要形成由多个不同部门之间形成既相互制约又相互合作的新形式，合法合理地参与竞争，更利于医学物理行业的发展。
3.结语
眼下，各类放疗设备和人体成像装置已经逐渐构成医疗器械行业中附加价值和技术含量最高的医学设备，代表了高精密度医疗设备产业的方向和水平。高精密度医疗设备的应用和研发已逐渐演变成了医学物理学科发展中的重点内容，在许多国家，放疗设备和影像诊断设备是除军工产品外有军工企业生产，且受国家高度重视的项目。
此外，从应用的眼光出发，高精密度医疗设备的分布正在由以前只是在核医学科、放疗科和放射科，逐渐扩展至骨科、介入治疗科、牙科、立体定向神经外科等其它治疗科室。医学物理学科以人体为信息源，将在人体无创科学的医疗过程与研究过程应用到每个科室中，同时也普及到了社会的每个角落。单从这一点上来看，医学物理学科将是一门拥有着无限潜力，同时也是一门随着技术发展而能够不断向前探索的学科领域。
参考文献：
[1]赵心宇，赵春艳.检验医学院系统性综合性实验探讨[J].中国科技信息.2010.
生物医学成像技术篇8
关键词：3Dmax技术医学教学资源研究与实践
中图分类号：tp311文献标识码：a文章编号：1007-9416（2013）06-0122-01
3Dmax技术主要是一种三维动画渲染和制作的软件，还具有强大的建模功能，能够将一些具体的工作形象生动的展现在人们眼前，在医学教学资源的建设中应用上3Dmax技术，就可以避免过去那种单纯是文字和图片的资源，使用相关的建模技术和虚拟现实，使学生在虚拟的环境中学习到更多的医学知识，使一些平面上的图形，变成三维立体的图像，将一些实验模拟成逼真的图像，使学生在学习中更深刻的感受到相关的知识，而且将这些资料传到学校的网站中，有利于更多的学生进行更多知识的学习。
13Dmax的主要概念
3Dmax的主要技术在于对三维动画的制作，可以通过相关的对象编辑，制成具体的物体图像，不仅外形相似，而且可以对物体的材料，质量进行一定的设定，充分还原了物体的真实性，还可以通过一些堆叠的建模，将一些图像制作得更为逼真，可以制作一些影视中的特效，能够使观众有一种身临其境的真实感，将3Dmax技术应用于医学教学资源的建设中，可以使学生在学习过程中看到更为逼真的画面，有利于学生的进一步学习。
23Dmax技术的实现方法
2.1虚拟现实技术（如图1）
虚拟现实是一种随着科技不断发展的新兴技术，3Dmax在虚拟现实技术上的应用，是通过对相关事物深层的解剖，使人们通过视觉就可以看到一些物体的内部构造，比如对一些器官，在以前的教学中，学生们只能看到一些器官总体的图片和一些解剖后的图片，但运用3Dmax技术之后，学生们可以看到逼真的图像，可以使器官好像真的在人体中一样进行工作，连血液循环都能够清楚的看到。对于一些手术录像，学生在原来只能看到一些平面的图像，但是应用3Dmax技术之后，那些具体的手术步骤，都能够逼真的展现在学生眼前，清楚的看到患者在手术中的反应，以及医生在手术时的应对各种问题的处理措施。
2.2建模技术
在3Dmax技术中应用了建模技术，能够在计算机中建立三维的几何模型，通过光照、消隐、投影的技术制成生动形象的三维立体图形，人们可以再仿真的环境中去更好的学习，比如，为心脏建立形象的三维图形，根据颜色、比例和解剖后的具体形态，使学生在对心脏的学习中能够看到极为逼真的图像，甚至心脏内部的血管都能看的清楚，从而提高了学生的学习效率。不仅可以利用该软件进行三维图形的建立，还可以建立图像的建模技术，可以通过摄像机将一些场景拍摄下来，对这些图像进行编辑和拼接，制成一个全景逼真的图像，在具体的医学教学资源建设中，可以通过腹腔镜将患者腹腔内的景象拍摄成一个全景图像，通过相应的技术软件，将这些图像处理成具体的场景，可以使学生进行虚拟的浏览，使其进行身临其境的学习，得到更好的学习效果。
3在医学教学资源中的应用
3.1学生进行积极的交流
与学生进行沟通和交流，了解学生在日常学习中的难点，和一些生涩难懂的知识，对这些知识进行分析和研究，做出具体实验案例的设计方案，通过3Dmax技术，制成相关的三维动画，使学生能够通过形象生动的动画了解一些器官的具体构造，并通过实验的具体过程，对某种病理进行更加深入的学习。
3.2具体的建模实验
可以通过3Dmax技术来建立具体的实验过程模型，比如，在真正的医学实验中经常可以用到一些球类的物体，对之一对象进行形象的编辑，包括球体的材质、颜色、大小，通过一系列动画的渲染，将其制作成形象的物体。有些实验真正操作起来会消耗较大的实验物品，而且还会对相关的实验器材造成一定的损耗，采用3Dmax技术，可以讲实验逼真的呈现在学生面前，既能使学生较好的掌握所学的知识内容，又可以减少相应的实验费用。通过3Dmax技术，可以将使学生观看到现实逼真的手术过程，具体的了解到医生在实际的手术中对所出现问题的解决措施，为学生提供更多的临床经验。因为在学校中，一些学生缺乏临床经验和大量的实验机会，而通过3Dmax技术，使学生身临其境的进行观摩和学习，大大提高了学生的知识面，加深了学生对生涩知识的理解程度。
4结语
将3Dmax技术应用于医学教学资源的建设中，能够使一些图形、图像更为逼真，有利于学生对相关知识进行更为深入的学习和研究，在今后的学习中可以更为广泛的应用该种技术。
参考文献
[1]段海，等.3dsmax2010完全学习手册[m].北京：清华大学出版社，2010.480-501.
生物医学成像技术篇9
高职院校肩负着高技术技能型专业人才培养，离不开核心课程的建设，因为核心课程是高职院校专业建设与课程建设的基本内容和主要目标，也是人才培养质量的根本保证。国家示范院校江苏农牧科技职业学院动物医学（宠物医学）专业核心课程的建设对高技术技能型宠物人才的培养具有至关重要的作用，作为专业核心课程之一的《小动物影像技术》课程一直按照学院的课程建设规划，开展课程的建设与实施。
一、课程建设基础
江苏农牧科技职业学院于2006年最早开设了宠物类专业，于2008年针对宠物医学专业开设了《小动物影像技术》核心课程，并编写了校本特色教材，2010年该课程被评为校级精品课程，2012年行校合作编写了《小动物影像技术》项目化教材，2013年由中国农业出版社出版，该教材被评为“国家示范性高等职业院校建设计划”骨干高职院校建设项目成果之一，2014年该教材获得中华农业科教基金会“全国农业职业教育优秀教材”项目资助。该课程目前拥有“双师型”教师3人，以校内实训基地宠物医院为实训场地，开展实训教学，积累了大量的影像资源。
二、课程建设规划
课程建设规划对课程的建设具有指导作用。本课程建设规划主要包括以下四个方面。
1.《小动物影像技术》课程建设要体现培养掌握影像技术基础知识和基础理论，具有创新意识和创造能力的“技术技能型人才培养目标”。
2.《小?游镉跋窦际酢房纬探ㄉ枰?综合师资队伍、教材、课程教学内容、教学手段和教学方法、教学环节、教学设施等各方面的建设和改革，做到协调发展，整体推进。
3.《小动物影像技术》课程建设要集教学名师、校企合作教材、教学改革成果于一体，实现优质教学资源的交流与共享，最大限度地提高课程教学质量。
4.《小动物影像技术》课程建设要重点体现先进、适用、够用，即内容紧跟现代宠物影像技术发展，知识与技能满足临床工作需求，并在现有院级精品课程建设的基础上，力争早日申报建设成为江苏省在线开放课程，并建设成农业部“十三五”规划教材。
三、课程建设目标
总体目标是：将《小动物影像技术》建设成从课程内容到教学方法上都能充分体现高职特色、课程特点，体现基础理论与实践相结合的示范性课程。
具体计划：在2010年院级《小动物影像技术》精品课程与2012―2013建设的《小动物影像技术》网络学习平台基础上，于2015―2017年在宠物医学专业开展《小动物影像技术》课程网络辅助创新教学实践，充分利用信息化教学资源开展教学，并于2017―2019年申报江苏省在线开放课程，并按要求建设。
四、课程建设内容
《小动物影像技术》核心课程的建设内容包括建设一流的教师团队、教材、教学内容、教学方法、教学设施、教学管理等方面，并在课程创新教学实践与申报在线开放课程的过程中，注重以下六方面的内涵建设。
1.教师队伍方面：打造课程团队，逐步形成一支以课程带头人负责的，教学水平高，人员稳定，结构合理，教学效果好的教师队伍，教师团队在现有3名教师的基础上增加了2人，并按一定比例配备实训指导教师，同时聘请具有丰富实践经验的兼职教师（知名宠物医院影像专家）参与课程建设，并制定和实施有效的师资培养培训计划，形成促进教师积极向上、不断学习的激励机制，打造“双师型”教师。
预期目标：课程教师团队成员7人，校内教师5人，校外2人。其中高级职称3名，中级职称2名，兼职教师2名，“双师型”教师比例达到100%。
2.教学内容方面：重视《小动物影像技术》课程教学内容和课程体系改革，教学内容要具有先进性、科学性与适用性，保证够用、必要的基础理论知识，同时不断增加宠物医学影像技术的最新成果，紧跟宠物医学影像技术的发展，适时增加彩超、Ct、mRi等影像技术的教学内容。
预期目标：本课程的教学内容要涵盖普通X线技术、CR技术、DR技术、Ct诊断技术、mRi技术、B超技术、彩超技术等符合企业单位需求的影像技术。
3.教学方法方面：根据课程特点和实际需要，采取各种积极有效的教学方法，合理运用现代信息技术等手段，改革传统的教学思想观念、教学方法、教学手段和教学管理。《小动物影像技术》课程应尽可能使用网络进行教学和管理，相关的课程教学录像、多媒体课件、教学案例、教学大纲、教学设计、电子教案、习题库、案例资源、实验指导书、技能考核标准及实施方案、参考文献目录、X线图片资源、B超声像图病例资源等全部上传校园网络学习平台，并完全开放，实现优质教学资源共享，并带动本专业其他课程的建设与发展。
预期目标：建设资源丰富的《小动物影像技术》网络课程学习平台，并以此开展信息化教学与理实一体化教学实践。
4.教材建设方面：由中国农业出版社2013年出版的校企合作编写的国家示范建设成果《小动物影像技术》教材，经过几年的使用基本上能够满足宠物医学专业宠物影像技术学习的需求，但随着影像技术的快速发展，目前已经有很多宠物医院引进了Ct、mRi等影像技术，因此教材要进行适当的修改，增加心超、Ct、mRi等相关技术的内容。
预期建设目标：2017―2019年申报并立项建成农业部“十三五”立体化教材，建设后的教材涵盖X线、超声、Ct与mRi四大影像技术。
5.教学设施与实训场地方面：高度重视校内X线实训室、B超实训室、校教学宠物医院mRi实训室的建设以及校外实训基地的建设，重视实践性教学环节的开展，通过实践培养和提高学生的动手能力和职业技能，从而体现影像技术课程的特色和水平。
预期目标：2017―2019年在学校所在市区建设校外实训基地2个，校内X线实训基地1个，校内B超实训基地1个，校内mRi诊断中心1个。建成后的X线实训室拥有移动式X线机1台，动物DR1台；B超实训室拥有彩超1台，黑白B超5台，校内实训基地教学宠物医院拥有宠物核磁共振仪（mRi）1台，总投入计250万元。
6.教学管理方面：建立科学高效、切实有效的激励和评价机制。通过《小动物影像技术》核心课程建设，优化现有课程评价体系，建立教师评教、学生评教、教师互评、学生互评以及教学督导、同行专家对课程的教与学过程的评价机制与制度，促使《小动物影像技术》课程建设不断深入的向前发展。
预期目标：形成完备的教学管理与课程评价制度与机制文件。
五、课程建设实施
1.实施保障措施。成立《小动物影像技术》课程建设小组，制订《小动物影像技术》课程整体建设实施方案。分解实施任务，责任到人，并制定奖惩措施，调动相关教师参与建设的积极性。
2.实施效果评价。组建由校外专家、行业企业专家、校内督导及学生、用人单位组成的评价小组，制定细化评价内容，对照课程建设规划内容及成效进行评价，评价等级分为优、良、中、差。建设完毕后，预期评价结果要达到优、良等级。
生物医学成像技术篇10
【关键词】计算机；医学；远程会诊；嵌入式系统
中图分类号R319文献标识码B文章编号1674-6805（2015）30-0136-03
【abstract】thedevelopmentofthecomputerhasbecomethemainpowertopromotethedevelopmentofmedicine，itmakesthemedicalsystemchangedfromtheoldpatterntothenewpattern，especiallywiththepopularityofcomputernetwork，remoteconsultationhasbecomeanewclinicandreliableway，itpowerfuldrivesforthereformandprogressofthetraditionaltreatments，itprovidssolidfoundationandstrongconditionformedicalregionalexpansionandserviceinternationalization，applicationoftheembeddedsystemimprovedthereal-timeandreliabilityofmedicalinstrument，whichisaresearchhotspotanddevelopmenttrendofmodernmedicalelectronicinstrument.
【Keywords】Computer；medical；Remoteconsultation；embeddedsystem
First-author’saddress：theSecondaffiliatedHospitalofKunmingmedicalUniversity，Kunming650101，China
doi：10.14033/ki.cfmr.2015.30.071
计算机以其高精度、高速度，自动化及大存储容量的无可比拟的优点被广泛应用到各个领域，它在医学系统中的应用更是随处可见，通常被用到医疗系统的信息管理、医学资料的查询、医疗信息的存储、临床医学的诊断和监护、医药的专家系统、计算机辅助放射治疗、计算机辅助断层摄影、人工器官的计算机控制基础医学等各个方面。它促使医疗系统从旧模式向新模式进行变革，有效的提高了医院的医疗水平，逐渐成为推动医学发展的主要动力。
1医学系统中的改革
电子计算机在本世界50年代末开始应用在医学领域，而我国始于70年代中期，计算机最初仅用来实现医学的管理[1]。经过几十年的快速发展，电子计算机已经深入到医学系统的各个领域，可以利用它检索、存储、传输、处理等各种医学信息，医学与计算机技术的结合对医学的发展起着重要的推动作用，它使整个医疗系统正经历以计算机为中心的技术革命。
1.1在基础医学方面的改革
在基础医学领域，医院的行政管理、收费系统、财务系统、人事系统、药品库存管理和患者的住院病案管理等，均离不开电子计算机的处理，而且，近年来随着计算机网络的飞速发展，网络的应用在医学系统中更是发挥着举足轻重的作用，比如：用户之间通过邮件的方式自由的交换信息，许多非正式的专家讨论组通过internet进行网络会议，使人们可以从网络共享大量的信息。
目前，在基础医学方面经常利用计算机联机处理各种医学实验信息，模拟病变过程的生理变化、模拟人体对外界刺激的反应，对研究生物的微观机构、神经活动、癌细胞的发生机理等，都起到了促进作用，进而达到揭示数据所蕴含的生物学意义的目的。在医院的综合管理方面，利用计算机来实现对整个医疗系统进行管理，比如：完善病例存储、药品管理、财务管理、办公自动化等，可使管理人员从繁重的劳动中解脱处理，从而大大提高了医院的管理水平。
1.2在病历方面的改革
在早期的医生会诊患者时，先通过传统的手写病历了解病情，病历是医生和患者之间的主要沟通方式，也是医生制定医疗方案的主要依据，这种传统的会诊方式存在很多弊端，一是纸质的病历不易长期保存容易丢失，而且医院每天就诊的患者很多，病历的数量很大，种类复杂多样，要想及时的查找某位患者的病历是件工作量很大的工作。二是病例资料不容易共享，当患者面对不同医生时，必须携带其病例资料。三是各医院使用的医学术语和病历格式不统一，有些医生写的病历字体潦草模糊，其他医生难以辨认。因此传统的病历管理方式已不能适应现代医学发展的需求。先进的医疗保健体系必须建立地区性以及全国性的医疗信息系统。而由电子计算机形成的电子病历，可以很好的克服手写病历存在的缺点，它和传统病历一样，包含了患者的所有诊断信息，通过信息的数字化处理保存在计算机上，便于查询，不易丢失，还可以在网络的支持下，方便的实现资源共享，能进行远距离的信息传输，使不同地区的医学专家能对同一个患者进行会诊，方便医生对患者进行共同讨论，从而缩短患者的治疗时间，提高诊断的效率。
1.3辅助医学诊断的改革
传统诊断的第一步是通过询问患者的主观感应来得到病例资料，这份资料对诊断起到了定向作用，并为诊断提供了线索。医生利用感官检查就诊者的身体，获得评价资料，然后在该资料的基础上进行分析、推理、判断，来制定诊断方案，对于所获取到的资料，不论是否齐全，都需要医生运用已有的知识和经验，进行归纳、剖析、联想、推理，进而产生诊断，由于这些过程增加了医生的工作强度，容易产生误诊和漏诊现象。
电子计算机具有逻辑判断和信息加工的能力，利用计算机进行分析、判断，从而实现诊断的过程又称为“电脑医生”。计算机辅助检测与诊断（computeraideddetection/diagnosis）是指通过影像学、医学图像处理技术以及其他可能的生理、生化手段，结合计算机的分析计算能力，辅助发现病情，提高诊断的准确率[2]。当今流行的CaD技术，又被称为医生的“第三只眼”，主要是指基于医学影像学的CaD技术，计算机辅助检测是计算机辅助诊断的必然阶段，检测的结果是诊断的依据。CaD技术的广泛应用有助于提高医生诊断的敏感性和特异性。计算机实现诊断的过程是利用程序设计，将医生的临床经验和诊断标准，输入到计算机，再将患者的询问、体检、化验的病例资料也输入到计算机，计算机通过快速的分析处理并与标准对比，最后作出诊断。例如体表标测心电图就是利用体表多电极信号，来记录体表各部位心脏兴奋形成的电位差，计算机根据自动采集的体表各部位的瞬时电位变化数据，进行分析处理，绘制成等位标册图，它能获得比常规心电图或心电向量图更丰富的信息，有助于认识心脏激动的空间电位分布和体表电位分布的关系。
1.4图像处理技术方面的改革
近20年来，医学影像技术的飞速发展，已在医学系统形成相当大的规模，随着计算机图形学技术的发展，医生诊断工作站（ReviewStation）代替了原始的胶片与胶片灯，数字影像资源共享（imageDistribution）代替了传统的胶片邮递，医学影像正从二维医学图像向三维可视化技术转化[3]，在传统的影像医疗系统中，医生通过分析一组二维切片图像来发现病变体，然后依靠医生的经验判断，得到需要的信息，而仅靠观察二维切片图像是很难确切知道病变体空间位置、大小、几何形状、及与四周生物组织的空间关系，因此，传统的二维图像技术已经不能满足需求。现在的分子医学通过利用计算机的医学影像图形处理技术对所展现的分子层面的物质结构进行分析处理，在分子层面上研究各种疾病的现象、机理和治疗方法。医学影像技术还可实现对人体器官、软组织和病变体的分割提取、切片图像扫描、三维重建和三维显示，合成完全数字化的三维人体模型，来辅助医生对病变体及其他感兴趣的区域进行定性及定量的分析，比如：应用于超声图象处理、脉象处理及脑血流图分析等，均为医学提供了大量的现代化诊断手段，大大提高了医疗诊断的准确性和可靠性。
医学图像处理技术包括很多方面，比如：图像分割、图像融合、图像配准、纹理分析等[4]，这种多维、多参数以及多模式图像在临床诊断与治疗中发挥着巨大的作用。与此同时，核共振成像、数字射线照相术、超声成像、核素成像及发射型计算机成像等也在逐步发展，计算机和医学图像处理技术的结合是影像技术的发展基础，带动着现代医学诊断走向一个新台阶。
2远程会诊的改革
随着计算机技术的快速发展，尤其是internet网络的应用，网络和医学的关系也注定是密不可分的。远程医疗会诊技术在这个大背景下也是发展的必然趋势，它是远程医学中最主要的业务活动，是极其方便、诊断极其可靠的治疗方式。通过利用网络技术的优点，它与邮购紧密配合，建立各种类型的远程电子病历系统，通过三维可视化技术为远程医学提供一个完整的多层次、多维度索引的电子病历集成视图[5]，完成远程医学的患者门诊、住院的临床资料的收集、归档、检索和显示，有力地带动了传统治疗方式的改革和进步。并能与远程医学影像、远程病理进行互动，支持远程医学集成终端，实现远程医学会诊平台的各种诊疗服务，让会诊室的医生和远程医疗的医生均能有效的获得患者的第一手资料，便于主治医生的诊断，为医疗走向区域扩大化、服务国际化提供了坚实的基础和有力的条件。同时预防和减少了医疗错误，节约了患者大量的时间和费用，改善了会诊质量，提高了会诊效率，促进了远程医学的快速健康发展。
在远程会诊中，信息在网络中传输要求低抖动、低延时，因此采用流媒体技术来传输影像资料[6]。它是指采用流式传输的方式在网络中播放媒体格式，利用流媒体的形式将患者的paCS影像传递到远程会诊终端屏幕，以完成医学影像资料的共享[7]。随着3G的普及，移动无线终端也可采用流媒体技术访问远程医学影像。流媒体技术的应用，突破了局域网的限制，医生可随时了解住院患者的情况并给予及时的诊断处理，提高了诊断的效率。远程会诊模式在医生之间建立了高效影像综合信息传输平台，通过使用公共网络通信资源，保证医生之间和医患之间迅速有效的交流。即使一些医院在条件不具备、经验不丰富、技术不成熟的情况下，只要通信网络通畅，都能迅速传输患者的影像资料信息到会诊专家的数字终端上，进而得到专家的指导性意见。解决了因技术能力不平衡带来的看病难的问题，提供了一个符合中国国情的理想解决方案，也为规范医疗市场、完善医疗服务体系、评价医疗质量标准、交流医疗服务经验提供了新的准则和工具。
3嵌入式系统在医学中的应用
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[8]。它是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术、传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的产物。计算机厂家向用户提品的插件形式，再由用户根据自己对产品的特定要求选择合适的CpU板、存储器及各式输入输出插件板，将其嵌入到自己的系统设备中，从而构成专用的嵌入式系统，它是为特定应用而设计的专用计算机系统，它具有体积小、功能集中、可靠性高等优点[9]，设计人员能够根据需要对它进行优化，减小尺寸，降低成本。嵌入式系统与医学领域的结合是现代医学电子仪器的研究热点和发展趋势。
嵌入式医疗仪器是先进的嵌入式技术和生物医学的融合，是生物医学和计算机技术、电子技术相结合的产物，反映了当代最新技术的先进水平，如：心脏起搏器、放射设备、分析监护设备、药剂控制系统等大型设备；经颅多普勒、彩超、脑电、心电等电子设备；免疫测试系统及全自动生化分析系统等检测设备，都需要嵌入式系统的支持[10]。嵌入式系统中的控制计算机与一般用于科学计算或信息管理的计算机不同，需要有较高的实时性和可靠性，在实际应用中不允许它发生异常现象，因此，在嵌入式系统的设计过程中，首先要考虑其安全性，选用高性能的控制计算机，对所控制的对象设计成双机系统，能对内部和外部事件的请求做出及时地响应，不丢失信息，不延误操作。另外，随着医疗传感器技术的发展，嵌入式设备在医疗保健方面也逐渐被应用，如家用心电监测设备、家庭远程诊断设备。由于数字信息技术的飞速发展，现代医疗系统要求嵌入式医疗仪器具有更强大的处理和存储能力以及高可靠性和高实时性等性能，同时又要能够达到更高级别的环保要求，因此，如何进一步使医疗仪器专业化、小型化、智能化、便携式、低成本，将成为以后研究的方向[11]，这也为嵌入式系统在医疗仪器中的应用提供了更广阔的应用平台和更高的性能需求。
在信息技术发展的今天，医学系统离不开计算机技术，计算机对医疗事业的推动有着不可替代的作用，尤其是网络的高速发展和嵌入式系统的应用，使不同地区的医疗信息实现网络共享，使人们能快速的将临床医学系统、医学影像处理技术，网络信息传输系统、医院管理信息系统、远程医疗系统相结合，同时，随着信息的数字化越来越被人重视，嵌入式系统的软件开发已经成为数字化产品设计创新和软件增值的关键因素，是未来市场竞争力的重要体现[12]。总之，计算机在医疗系统中的广泛应用为全人类的健康提供了更加可靠的保障，同时促进了医学信息事业健康、有序、持续和稳定的发展。
参考文献
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