《生物医学成像技术与应用》课件

生物医学成像技术与应用生物医学成像技术是现代医学诊断与研究的核心支柱，通过各种物理原理无创地观察生物体内部结构与功能本课程将系统介绍生物医学成像的基础理论、主要技术类型、临床应用以及最新研究进展我们将深入探讨从传统射线到最前沿的多模态分子成像技术，帮助学生建立X全面的生物医学成像知识体系，理解其在科研与临床实践中的关键作用课程介绍课程目标掌握生物医学成像的基础理论与技术原理，建立体系化的成像知识框架，培养跨学科思维和实际应用能力课程结构分为基础理论、主要成像模态、图像处理、临床应用与前沿进展五大模块，从原理到应用全面覆盖主要知识点各成像技术原理与特点、临床应用场景、图像获取与处理方法、多模态融合技术以及人工智能辅助诊断等应用领域涵盖临床诊断、精准医疗、神经科学、药物研发、分子生物学等多个前沿领域生物医学成像的定义与意义定义医学意义科研价值生物医学成像是利用物理、化学原理，推动早期精准诊断，为临床决策提供客突破传统观察限制，实现对生命过程的通过非侵入或微创方式获取生物组织内观依据，实现疾病的动态监测与评估，动态、原位观察，揭示生命科学与疾病部结构、功能和分子信息的技术集合，大幅降低诊断创伤性机制的微观奥秘是连接基础医学与临床实践的桥梁作为精准医疗的关键工具，提供个体化促进多学科交叉融合，推动医学、物理它通过多种物理信号（射线、声波、治疗方案的依据，改善预后效果，提高学、工程学、计算机科学等领域协同创X电磁波等）与生物组织相互作用，将不医疗资源利用效率新与突破可见信息转化为可视化图像发展简史年射线发现1895-X伦琴发现射线并获得第一张人体射线照片（妻子手部），开创了医X X学成像的先河，获得首届诺贝尔物理学奖年代超声发展1950-1960-医用超声技术从工业探伤发展而来，型超声开始应用于临床，特别是B产科检查，实现了无辐射实时成像年代革命1970-CT豪斯菲尔德和考马克发明计算机断层扫描，首次实现了人体三维断层成像，彻底改变了放射诊断方式年代兴起1980-MRI临床磁共振成像技术成熟，提供了优越的软组织对比度，无需电离辐射，成为神经系统成像的金标准年代分子成像时代1990-2000-、等功能与分子成像技术普及，多模态融合成像开始应用，PET SPECT实现了从解剖到功能的全面可视化年至今智能化与精准化2010-人工智能与大数据分析融入成像领域，推动了高分辨率成像、智能诊断及精准医疗的快速发展成像的基础物理原理能量与波粒二象性不同能量的电磁波与生物组织相互作用方式各异相互作用机制吸收、散射、反射、衍射等物理过程产生对比信息信号获取与处理将物理信号转换为数字信息并重建成可视图像生物医学成像的核心是基于不同物理场与生物组织的相互作用电磁波（射线、光、射频波）、机械波（超声）、放射性粒子等都X可作为探测生物体内部信息的媒介这些物理信号穿透组织时，会经历不同程度的吸收、散射、反射或穿透成像原理本质上是利用组织间物理特性差异产生的信号差异，通过信号接收、放大、数字化和图像重建算法，最终转化为可视化图像随着量子物理学和信号处理技术的发展，成像过程越来越精细，能够从分子水平揭示生命活动术语与常用指标指标类型具体参数定义与意义空间特性空间分辨率区分两个相邻结构的最小距离，通常以或表示，决定图mmμm像细节水平空间特性视野单次成像可覆盖的解剖区域大小，影响整体扫描效率FOV时间特性时间分辨率成像系统获取一幅完整图像所需的最短时间，对动态过程观察至关重要对比特性对比度分辨率系统分辨不同组织间微小密度或信号差异的能力，影响软组织区分度灵敏度指标信噪比有用信号与背景噪声的比值，较高意味着更清晰的图像质量SNR SNR灵敏度指标检测限系统可靠检测到的最小浓度或信号，对分子成像尤为重要这些关键指标通常存在相互制约关系，如提高空间分辨率往往会降低信噪比，增加采集时间可能提高图像质量但降低时间分辨率临床应用中需根据具体诊断目的进行参数优化与平衡生物医学成像的分类结构成像功能成像以解剖形态信息为主的成像技术反映生理代谢功能的成像技术射线平片功能•X•MRI灌注成像•CT•超声多普勒超声••结构动态增强成像•MRI•多模态融合成像分子成像结合多种技术优势的综合成像方法显示细胞与分子水平活动的成像技术•PET/CT•PET•PET/MR•SPECT荧光成像•SPECT/CT•光声成像分子••MRI成像技术按信息类型分类，从宏观解剖结构到微观分子过程，形成了从形态到功能再到分子层次的完整观察体系现代医学诊断通常需要多种成像手段协同配合，全面评估疾病状态射线成像技术基础X射线物理特性成像原理X短波长电磁波，能量通常为射线衰减系数与组织密度和原子序•10-150•X数相关keV具有较强穿透能力，可通过软组织骨骼对射线衰减强，呈白色••X不同密度组织对射线衰减程度不同肺部对射线衰减弱，呈黑色•X•X衰减遵循指数衰减定律通过投影成像形成二维灰度图像••关键硬件组成射线管（阴极灯丝与阳极靶）•X高压发生器•准直器与滤线栅•探测器（胶片或数字探测器）•射线成像是最早应用于临床的医学影像技术，至今仍是医疗机构最常用的影像检查手段射线X X通过身体不同部位时，由于组织密度和元素组成的差异，产生不同程度的衰减，形成投影影像尽管技术简单，但其临床意义重大，特别适合骨骼、胸部等结构的检查随着数字化技术发展，传统射线平片已逐渐被（数字化射线）取代，大幅降低了辐射剂量，X DRX提高了图像质量和后处理能力，展现出这一百年技术的持久生命力数字射线与X CT传统射线平片X基于感光胶片的模拟成像数字射线X DR/CR采用数字探测器替代胶片计算机断层扫描CT多角度采集与三维重建高级技术CT多层螺旋与能谱CT CT数字射线技术实现了从传统胶片到数字化的重要转变与传统射线相比，数字射线具有更高的分辨率、更宽的动态范围，大幅度降低了辐射剂X X X DR/CR量，同时支持数字存储与图像后处理，提高了工作流效率则是射线技术的革命性飞跃，通过射线源和探测器围绕患者旋转，获取多角度投影数据，采用滤波反投影等算法重建出人体横断面图像现代技术CT XX CT已发展到第四代螺旋容积扫描，可在数秒内完成全身扫描，三维重建精度达到亚毫米级，为精确诊断提供了强大工具射线成像的应用X胸部线检查骨折诊断口腔与牙科应用X肺部最常用的初筛检查手段，可显示肺实射线是骨科检查的基础，能直观显示骨口腔全景片和根尖片能清晰显示牙齿结构、X变、肺气肿、胸腔积液等病变，也能观察折线、骨折类型与位移程度对创伤患者根管形态及周围骨质变化，是口腔科必不心脏轮廓变化胸片对肺结核、肺炎及肺进行快速准确评估，指导骨科医生制定治可少的检查手段在牙种植、正畸治疗和癌具有重要筛查价值，是呼吸系统疾病诊疗方案，还可用于术后随访评价骨折愈合龋齿诊断中广泛应用，具有操作简便、成断的首选方法情况本低的优势射线成像技术尽管简单，但在临床应用广泛，特别是在急诊创伤、胸部疾病和骨科疾病中仍是首选检查方法现代低剂量成像技术X已显著降低辐射风险，使射线检查更加安全可靠X计算机断层扫描（）CT螺旋多层双能能谱高分辨CT CTMDCT/CT CT射线管与探测器持续旋转，使用多排探测器阵列同时采利用不同能量射线的衰减空间分辨率可达XX

0.2-同时床板匀速移动，形成螺集多个断层数据，从层差异，获取物质特征信息，，尤其适用于肺部

160.3mm旋轨迹采集数据，大幅提高发展到目前的层，显著可进行物质分解与定量分析，微小病变的检出，如早期肺640了扫描速度，减少了运动伪提高了轴覆盖范围与时间区分碘、钙、尿酸等物质，癌、间质性肺病等在胸部Z影，实现了连续容积扫描分辨率，使心脏等动态器官提高了组织特异性影像学中发挥重要作用，成成像成为可能为胸部疾病的精准诊断工具技术自年问世以来经历了四代发展，从最初的单层扫描发展到现代多层螺旋当前临床常用层，高端设备已达层，CT1972CT16-128CT256-640可实现全心脏单转扫描的基本原理是通过多角度射线投影重建横断面图像，克服了常规线平片的组织重叠问题CT XX硬件与成像流程CT射线管与发生器X产生高能射线束X患者扫描与数据采集多角度投影数据收集图像重建与处理应用算法重建切片图像图像显示与诊断二维与三维图像分析现代系统由机架、床板、操作台和图像处理工作站组成机架内含高速旋转的球管和探测器阵列，采CT集原始数据后，通过滤波反投影（）或迭代重建等算法转换为值图像值以亨氏单位表FBP CT CT HU示，反映组织对射线的衰减系数，水为，空气为，骨骼约为X0HU-1000HU+1000HU随着硬件与算法的进步，图像重建技术从传统发展到统计学迭代重建和模型迭代重建，大幅降低CT FBP辐射剂量同时提高图像质量探测器也从气体电离室发展到固态探测器，提高了量子效率和能量分辨率，使双能量和能谱成为可能CTCT磁共振成像（）原理MRI核自旋与磁矩人体内氢原子核（质子）具有自旋特性，产生微小磁矩在无外磁场时，这些磁矩方向随机分布，合磁矩为零；当置于强磁场中时，质子磁矩沿磁场方向排列，形成宏观净磁化矢量拉莫尔进动与共振质子在磁场中以特定频率（拉莫尔频率）进动，该频率与磁场强度成正比当施加与拉莫尔频率相等的射频脉冲时，质子吸收能量进入激发态，产生共振现象弛豫过程与信号产生射频脉冲停止后，激发的质子回到平衡状态，释放射频信号这一过程包含纵向弛豫（）和横向弛豫（），不同组织具有不同的弛豫时间，形成图像对比T1T2的基础空间编码与图像重建通过三个方向的梯度磁场进行空间编码，确定信号来源的精确位置采集空K间中的数据，经二维傅里叶变换重建为可视化图像技术利用原子核磁共振原理，无需电离辐射就能获得高质量解剖图像，特别是对软组织的MRI显示优于其他成像方式通过调整不同的脉冲序列参数，可以获得加权、加权、质子密T1T2度加权等不同对比的图像，满足各种临床诊断需求核心参数与对比机制MRI磁共振成像具有多种成像序列，基于不同的物理参数提供独特的组织对比加权像主要反映组织的纵向弛豫时间，脂肪呈高信号T1（亮），液体呈低信号（暗），适合显示解剖结构加权像主要反映横向弛豫时间，液体呈高信号，适合显示病理变化如水肿和囊T2变扩散加权成像反映水分子布朗运动的受限程度，在急性脑梗死早期诊断中具有重要价值磁共振常用对比剂为钆螯合物，通过DWI缩短周围组织值提高对比度，主要用于血脑屏障破坏、肿瘤及炎症等病变的显示功能磁共振则利用血氧水平依赖T1fMRI BOLD效应，观察脑功能活动的优势与挑战MRI主要优势主要挑战无电离辐射，安全性高设备成本高，维护费用大••软组织对比度优越，尤其适合神经扫描时间长，患者舒适度低••系统成像对运动敏感，易产生运动伪影•多参数成像能力，提供丰富的组织•磁场安全问题，金属异物禁忌症•特性信息心脏起搏器等医疗植入物相对禁忌•任意平面成像能力，不受检查体位•幽闭恐惧症患者难以配合•限制现代技术不断突破传统限制，快速噪声大，扫描过程不舒适MRI•功能与代谢成像能力，如扩散、灌•序列和静音技术提高了患者舒适度，开对专业技术人员要求高•注、波谱等放式设计减轻了幽闭恐惧感，并发展出适用于特殊人群的专用设备如儿童专用分子成像潜力，可开发特异性示踪•剂MRI的主要临床应用MRI神经系统疾病是神经系统成像的金标准，对脑肿瘤、脱髓鞘疾病、脑血管疾病、神经退行性病MRI变具有极高敏感性功能能够评估脑功能区定位，支持神经外科手术规划扩散MRI张量成像可显示白质纤维束走行，观察神经通路完整性DTI骨关节系统疾病对软骨、韧带、肌腱、滑囊等软组织显示优越，是运动损伤评估的首选方法可早期发现骨髓水肿、软骨损伤和半月板撕裂，对关节疾病的诊断和治疗随访具有不可替代的作用心血管系统疾病心脏能评估心肌活力、心肌灌注和瘢痕形成，是诊断心肌病、心肌炎和先天性心MRI脏病的重要工具磁共振血管成像可无创评估血管狭窄、动脉瘤和血管畸形，MRA为介入治疗提供指导腹部及盆腔疾病对肝脏、胰腺、肾脏等实质性器官病变具有高敏感性，是肝脏局灶性病变、胰腺囊性病变的重要检查手段在妇科疾病诊断中，盆腔能精确评估子宫肌瘤、子宫内膜MRI异位症和卵巢肿瘤超声成像（）的原理US超声波产生组织传播与相互作用通过压电晶体转换电能为机械振动，产生超声在不同密度组织中传播速度和阻抗不频率的声波同，产生反射和散射20kHz图像信号处理回波信号接收根据回波时间、强度计算深度和反射特性，同一换能器接收反射回波，转换为电信号形成实时图像超声成像基于超声波穿过组织时的声学特性差异频率通常在范围，频率越高空间分辨率越好，但穿透深度越浅超声波在组织界2-15MHz面处产生反射，反射强度取决于声阻抗差异，界面越平行于入射波反射越强探头既作为发射器也作为接收器，采用脉冲回波工作模式通过测量回波返回时间可计算反射界面的精确深度，根据反射强度确定组织性质，-最终形成二维灰阶图像与其他成像技术相比，超声最大特点是实时性强、便携、成本低且无辐射，适合床旁检查和介入引导超声图像获取与主要模式型超声亮度模式B最常用的超声成像模式•将不同强度回波转换为不同亮度的点•形成二维灰阶图像显示解剖结构•可实时动态观察组织运动•型超声运动模式M记录单一超声线上组织随时间变化•主要用于心脏瓣膜运动评估•提供高时间分辨率的运动信息•可精确测量心脏各结构运动参数•多普勒超声基于多普勒效应检测血流速度和方向•包括色彩多普勒、能量多普勒和脉冲多普勒•血流向探头方向显示红色，远离显示蓝色•可检测血管狭窄、闭塞与血流动力学异常•三维四维超声/通过探头自动摆动或矩阵阵列获取容积数据•重建三维结构图像•四维超声为实时三维超声，增加时间维度•在产科和心脏成像中应用广泛•现代超声设备具有多种图像后处理功能，包括谐波成像、组织多普勒、弹性成像和造影增强超声等超声造影剂为微泡结构，注射后可增强血管内回声，提高血流显示效果，广泛应用于肝脏病变诊断超声的实际应用产科超声产科超声是妊娠监测的基础工具，用于确认胎儿位置、数量、生长发育和胎盘状况通过超声可测量胎儿双顶径、腹围、股骨长度等生长指标，筛查先天性畸形四维超声能直观显示胎儿面貌和动态活动，增强亲子互动体验心脏超声心脏超声（超声心动图）能实时评估心脏结构与功能，包括心腔大小、壁厚、瓣膜功能和血流动力学参数经胸超声是常规检查方式，而经食道超声可获得更清晰的后心结构图像应力超声可评估心肌缺血和活力，对冠心病诊断具有重要价值介入超声超声引导下介入操作具有实时性、安全性和精准性，广泛应用于穿刺活检、引流、注射和消融治疗超声引导下肝脏、甲状腺、乳腺等器官活检已成为标准操作程序术中超声可帮助外科医生实时识别病变边界和重要结构，提高手术安全性与成功率超声因其无创、便携、实时、经济的特点，已成为临床医生的听诊器，从急诊科到专科门诊都有广泛应用先进技术如造影增强超声和弹性成像进一步拓展了超声在早期疾病筛查方面的价值正电子发射断层成像（）PET分子代谢功能成像反映细胞代谢与生理功能状态示踪剂原理正电子衰变核素标记生物分子符合探测同时检测反方向伽马光子对是一种分子功能成像技术，通过正电子发射核素标记的示踪剂显示体内生化代谢过程最常用的示踪剂是（氟代脱氧葡萄糖），PET18F-FDG可反映组织葡萄糖代谢水平，广泛用于肿瘤检测其他重要示踪剂包括甲硫氨酸（氨基酸代谢）、（多巴胺代谢）、11C-18F-DOPA（前列腺特异性膜抗原）等68Ga-PSMA成像原理基于放射性核素衰变释放正电子，正电子与周围电子湮灭产生一对度相反方向的伽马射线扫描仪通过符合探PET180511keV PET测技术检测这对伽马光子，确定湮灭事件发生位置，重建体内示踪剂分布图像的最大优势在于可定量评估生理生化过程，检测功能变化PET早于形态改变的疾病与的结合PET CT/MRI90%30%临床普及率诊断准确度提升PET/CT现代几乎全部为一体化设备与单独相比，显著提高诊断效能PET PET/CT PET PET/CT15%治疗方案改变率检查导致肿瘤治疗计划调整的比例PET/CT融合设备将功能代谢信息与解剖结构信息完美结合，克服了单独空间分辨率低、缺乏解PET/CT PET剖标志的局限性在同一检查中获取并自动融合与图像，不仅提高诊断准确性，还可利用PET CTCT数据进行衰减校正，提高定量准确性已成为肿瘤分期、再分期和疗效评估的标准检查PET PET/CT方法是更新一代多模态融合设备，将与技术整合，具有无辐射、软组织对比度高的优PET/MR PET MRI势特别适用于儿科、神经系统和盆腔疾病评估技术难点在于探测器需要对磁场不敏感，且PET射频脉冲不干扰信号虽然临床应用尚未普及，但在脑功能研究等前沿领域展现出独特价值MRI PET的应用场景PET肿瘤学应用神经系统应用心血管应用在肿瘤诊断与管理中应用最为广泛脑在神经退行性疾病诊断中发挥重心肌是评估心肌活力的金标准，可PET PETPET能有效检测原发灶、要作用脑可显示区域准确区分存活心肌与瘢痕组织，指导冠18F-FDG PET/CT18F-FDG PET评估转移范围、指导活检部位选择、监代谢异常，协助阿尔茨海默病早期诊断脉血运重建策略氨和常13N-82Rb测治疗反应和预测预后新型淀粉样蛋白示踪剂如可用于心肌灌注评估，准确度高于常规核11C-PIB直接显示脑内淀粉样蛋白沉积医学检查在肺癌、淋巴瘤、结直肠癌、乳腺癌等常见恶性肿瘤中，已成为标准在癫痫灶定位、脑肿瘤鉴别和精神疾病在心肌炎症和心肌病评估中PET/CT18F-FDG分期工具肿瘤通常表现为高摄取研究中，提供独特的脑功能信息，也有重要应用，尤其是心肌炎和心脏黄FDG PET区域，代谢异常往往早于形态学变化帮助理解疾病发病机制和指导治疗色瘤病等疾病的诊断心血管系统炎症性疾病如大血管炎的诊断也是的重PET要应用方向单光子发射计算机断层成像（）SPECT放射性示踪剂注射常用示踪剂包括（骨显像）、（心肌灌注）、（甲状腺）等99mTc-MDP99mTc-MIBI123I伽马射线发射放射性核素衰变发射单光子（伽马射线），能量通常为左右140keV准直器选择性通过铅准直器仅允许垂直入射光子通过，确定光子来源方向伽马相机多角度采集探测器围绕患者旋转，获取多角度投影数据断层图像重建通过滤波反投影或迭代算法重建三维分布图像是核医学最常用的断层成像技术，通过检测单光子发射核素的伽马射线分布来反映器官功能与平面核素显像相比，提供三维信息，提高了病变检SPECT SPECT出率和定位精确度现代设备结合了功能与解剖信息，极大提升了诊断价值SPECT/CT优缺点比较SPECT vsPET比较项目SPECT PET物理原理单光子发射，需要准直器确符合探测正电子湮灭产生的定方向对向伽马光子空间分辨率较低，约较高，约8-10mm4-6mm灵敏度较低，约较高，约10^-410^-2定量准确性相对较低，半定量分析较高，可进行精确定量分析常用核素、、、、、、、99mTc123I201Tl18F11C13N15O等等67Ga68Ga核素半衰期较长，小时至天级别较短，分钟至小时级别设备成本较低，约万元较高，约万元100-3001000-2000临床可及性广泛，基层医院可配备有限，主要在大型医疗中心主要临床应用心肌灌注、骨显像、甲状腺肿瘤分期、脑功能、心肌活显像力尽管在技术性能上优于，但因其广泛可及性、多样化示踪剂和相对低成本仍在临PET SPECTSPECT床上占有重要地位两种技术各有优势，应根据具体临床问题选择合适的检查方法光学成像技术综述传统光学显微镜基于可见光的组织形态学观察荧光显微技术特异性标记与高灵敏度成像共聚焦与多光子显微镜三维高分辨率细胞成像超分辨率显微技术4突破衍射极限的纳米尺度观察活体光学成像5整体动物水平的分子功能观察光学成像是生物医学中应用最广泛的成像技术，从基础的光学显微镜发展到现代的超分辨率显微镜和活体光学成像系统与其他成像方式相比，光学成像具有高时空分辨率、多色成像能力和相对低成本的优势，特别适合细胞和分子水平的观察近年来，随着荧光探针、光学器件和计算成像算法的发展，光学成像突破了传统光学极限，实现了纳米级分辨率，在神经科学、免疫学和肿瘤学研究中发挥重要作用超分辨率显微技术如、和已成为观察细胞亚结构的关键工具，年相关研究获得诺贝尔化学奖STED PALMSTORM2014荧光生物发光成像/荧光成像基于荧光分子吸收特定波长光激发后释放较长波长光的原理绿色荧光蛋白的发现与应用获得了年诺贝尔化学GFP2008奖，标志着荧光成像在生物学研究中的重要性现代荧光成像已发展出多种技术形式，包括荧光显微镜、荧光活体成像、荧光内窥镜和荧光引导手术等生物发光成像利用酶催化底物产生光的生物化学反应，如萤火虫荧光素酶系统与荧光成像相比，生物发光不需要外部光源激发，背景信号极低，灵敏度更高，特别适合深部组织成像荧光生物发光成像在肿瘤研究、干细胞追踪、基因表达监测和药物筛选中有广/泛应用，为分子水平的生物过程可视化提供了强大工具多模态成像技术解剖结构信息功能代谢信息和提供精确解剖定位和反映生物化学过程CT MRIPET SPECT高空间分辨率分子水平敏感性••1组织对比度代谢活性评估••三维重建能力药物动力学研究••硬件集成技术软件融合技术一体化多模态成像系统图像配准与多模态数据分析•PET/CT刚性与非刚性配准••PET/MR多参数数据挖掘••SPECT/CT图像特征组学•超声•MR/多模态成像通过整合不同成像技术的优势，提供更全面的疾病评估每种成像方式都有其固有局限性，如空间分辨率高但软组织对比CT度低，功能敏感度高但解剖定位模糊，多模态成像技术通过优势互补，克服了单一模态的不足PET图像重建与处理基础图像重建技术图像处理与分析反投影法图像滤波与增强•Backprojection•滤波反投影图像分割与配准•FBP•迭代重建算法特征提取与定量分析•OSEM•模型迭代重建三维重建与可视化•MBIR•数字图像处理在现代医学成像中扮演核压缩感知重建深度学习图像分析心角色，贯穿从数据采集、图像重建到••临床解读的全过程新型重建算法如深图像重建是将原始采集数据转换为可视图像处理旨在提高图像质量、提取有用度学习重建正在推动低剂量和快速CT化图像的过程重建通常将投影数信息并辅助诊断从传统的图像滤波发CT扫描的发展，人工智能诊断系统则MRI据转换为横断面图像，则从空间展到现代的深度学习方法，人工智能在MRI K有望提升影像科工作流效率数据重建空间图像传统的算法计医学图像辅助诊断中的应用已取得显著FBP算速度快但噪声大，现代迭代重建算法进展，如肺结节自动检测、脑梗死定量能更好平衡图像质量与辐射剂量分析等领域图像分割与识别技术传统图像分割方法深度学习分割方法多器官自动分割应用基于阈值、区域生长、边缘检测和分水岭等基于卷积神经网络的深度学习分割方法，如多器官自动分割是放疗计划制定、手术规划传统图像处理算法这些方法计算简单，适、和等这些方法能自和解剖教学的关键技术现代算法可同时U-Net V-Net SegNetAI用于对比度高、边界清晰的图像但面对复动学习图像特征，分割精度高，对复杂解剖分割或图像中的多个器官，并生成精CT MRI杂医学图像时，往往需要专家干预和手动调结构处理能力强在肿瘤分割、器官边界识确的三维模型这种技术大幅降低了医生的整参数，难以处理组织边界模糊、噪声大的别和病变检测方面表现出色，已逐渐应用于工作量，提高了器官勾画的准确性和一致性，情况临床实践对精准医疗至关重要图像分割与识别是医学图像分析的基础步骤，将图像分割为不同的解剖结构或病变区域，为后续的定量分析和诊断决策提供依据随着深度学习技术的发展，医学图像分割精度和效率显著提升，为个体化治疗方案制定提供了可靠工具临床诊断中的成像初级筛查成像技术作为疾病筛查工具，如胸部线筛查肺结核，低剂量筛查肺癌，超声筛查肝病和乳腺病X CT变筛查成像需兼顾广覆盖、低成本和较高敏感性，重点是发现可疑病例，指导进一步检查确诊与分期针对特定疾病的精确诊断与评估，如诊断脑梗死，评估肿瘤范围与分期确MRI CT/MRI/PET诊性检查要求高精确度、高特异性，提供关键决策依据，确定治疗方案和预后预测治疗监测与评估治疗过程中的动态监测，如肿瘤治疗后的评估代谢反应，评估神经系统疾病治PET-CT MRI疗效果治疗评估成像需要标准化方案和定量分析，能敏感检测微小变化疾病随访治疗后长期随访管理，如肿瘤术后复查检测复发，心脏介入后超声评估功能恢复随CT访成像强调一致性和可比性，需要建立基线和规范化流程临床诊断流程中，多种成像技术按照从简到繁、从经济到精确的原则组合使用诊断医生需综合考虑检查适应症、患者状况和设备可及性，选择最优检查策略，避免过度检查和不必要辐射暴露影像引导治疗（）IGT术前规划术中导航通过高质量、等成像数据进行精确的三维重建，制定详细手术路将患者实际位置与术前影像配准，通过光学、电磁或混合跟踪系统实时CT MRI径，确定关键解剖结构位置，设计个性化治疗方案基于术前成像的虚引导手术器械定位神经外科、骨科和肿瘤手术中的导航系统已成为减拟手术规划可大幅提高手术成功率和安全性少并发症和提高精准度的重要工具微创介入治疗4术后评估在线荧光、、或超声引导下进行穿刺、活检和消融等治疗介通过成像技术评估治疗即时效果和长期结果，如术中评估肿瘤切除X CT MRI MRI入放射学已成为许多疾病的首选治疗方式，如血管狭窄支架植入、肿瘤完整性，介入后血管造影确认血流重建情况及时反馈使医生能立即调消融和胆道引流等整治疗策略，提高治疗效果影像引导治疗代表着现代精准医疗的重要发展方向，将诊断与治疗紧密结合，实现所见即所治高精度导航定位、术中实时成像和机器人辅助技术共同推动了微创治疗的精确性和安全性提升成像在神经科学研究中的应用脑结构成像脑功能成像分子神经影像高分辨率可详细显示脑灰质、白质功能性磁共振成像基于效可通过不同示踪剂显示神经递质系MRI fMRI BOLD PET结构与亚结构的体积、形态和完整性，应，检测神经活动引起的血流动力学变统、代谢异常和病理蛋白沉积，在帕金为神经系统疾病提供形态学基础化，已成为研究认知功能、情感处理和森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病语言等高级脑功能的主要工具机制研究中发挥关键作用扩散张量成像通过测量水分子扩DTI散方向，可重建白质纤维束走行，揭示脑电图和脑磁图提供高时分子影像技术结合基因工程可实现特定EEG MEG神经连接网络结构，在白质病变和发育间分辨率的神经电活动记录，与神经环路追踪与活动监测，推动了神经fMRI障碍研究中有重要应用结合可实现时空精确的脑功能映射，支环路图谱绘制和功能解析，为神经精神持脑机接口等前沿技术发展疾病治疗提供新靶点心血管影像技术冠状动脉血管造影CT冠脉通过高速扫描结合心电门控技术，在单次屏气内完成整个心脏扫描，清晰显示冠状动脉解剖和狭窄病变其无创特性使其成为冠心病筛查的重要工具，可早期发现冠脉粥CTA CT样硬化，评估斑块性质和狭窄程度，指导临床干预决策心脏磁共振成像心脏是评估心肌结构与功能的金标准，通过电影序列精确测量心室容积和射血分数，通过延迟增强成像评估心肌瘢痕和活力，应用图谱定量分析心肌纤维化和MRI CineLGE T1/T2水肿在心肌病、心肌炎和先天性心脏病诊断中具有独特优势血管超声多普勒血管超声结合多普勒技术可实时评估血管形态和血流动力学，广泛用于颈动脉粥样硬化、下肢动脉闭塞性疾病和静脉血栓的筛查诊断无创、便捷和可重复性使其成为血管疾病随访的理想工具，可监测介入治疗后血管通畅性及再狭窄情况心血管影像学已成为现代心脏病学和血管外科的核心支柱，通过多模态、多参数成像全面评估心脏结构、功能、血流动力学和代谢状态，为精准诊断和个体化治疗提供坚实基础新型影像技术如流量和血管内正不断深化对心血管疾4D MRIOCT病机制的理解成像用于肿瘤精准医疗早期检测与筛查精确诊断与分型低剂量肺癌筛查，乳腺线摄影，全身CT X多参数，功能与分子成像指导靶向活检MRI肿瘤普查PET/CT疗效评估与监测治疗规划与实施3代谢反应评估，复发监测，生存预测放疗靶区勾画，手术与介入治疗导航精准医疗时代，影像学在肿瘤管理全流程中扮演核心角色先进的多模态成像技术支持肿瘤精准定位、表型分析和异质性评估，为治疗决策提供全面信息多参数不仅显示肿瘤形态，还能反映细胞密度、血管生成和代谢特征，有助于非侵入性肿瘤分级和分子亚型预测MRI放射组学和人工智能分析从影像中提取大量定量特征，挖掘肉眼不可见的信息，预测治疗反应和预后分子影像探针设计向个体化方向发Radiomics展，如针对特定肿瘤标志物的示踪剂，可指导靶向治疗选择和免疫治疗疗效评估，推动肿瘤治疗向更精准、个体化方向发展PET儿科与产科成像难点辐射安全考量技术挑战儿童对辐射更敏感，风险更高儿童体型小，需高空间分辨率••胎儿在子宫内受射线和暴露应极力运动不配合，需快速成像序列•X CT•避免镇静与固定技术安全风险•需优化检查参数，遵循合理可•ALARA婴幼儿生理参数监测困难•行尽量低原则胎儿检查受母体组织影响•采用低剂量方案和迭代重建技术•解剖结构小而复杂，对成像质量要求高•慎重评估检查指征，避免不必要检查•特殊成像技术胎儿无辐射胎儿异常评估•MRI产科超声胎儿发育监测首选•超快序列无需镇静的儿童检查•MRI功能性超声新生儿脑灌注评估•儿童专用设备宽孔径、游戏化设计•MR特殊姿势固定装置减少运动伪影•儿科和产科成像的核心原则是在获取必要诊断信息的同时，最大限度降低潜在风险和超声作为MRI无辐射的成像方式成为首选，特别是孕期检查多学科协作和专业技术人员培训对保证儿科检查安全与有效至关重要动物实验中的成像微型小动物小动物光学成像超声成像CT MRIPET成像大数据与智能分析1B+全球年度医学图像数量医疗机构每年产生超亿次成像检查1010TB单家医院日均影像数据量大型医院每日生成的影像数据规模95%辅助诊断准确率AI特定任务领域系统可达到的准确度AI40%医生工作效率提升借助辅助系统可节省的诊断时间AI医学影像大数据为人工智能应用提供了理想场景大规模标准化影像数据库如阿尔茨海默病神经影像学计划、癌症影像档案等为算法训练ADNITCIAAI提供基础这些数据库包含丰富的临床信息和随访结果，支持深度学习模型的开发和验证深度学习在医学影像分析的应用已取得显著进展，包括病变自动检测如肺结节、乳腺钙化、器官自动分割、影像特征提取与疾病分类等辅助诊断系统AI作为第二阅片者可降低漏诊率，减轻医生工作负担尽管如此，技术仍面临数据隐私、模型透明度、泛化能力和临床整合等挑战，需要多学科合作解决AI云端与远程成像系统云存储与处理远程影像传输远程会诊与协作医学影像数据从本地存储向云端迁高速网络技术支持大型影像数据的远程放射学服务打破地域限制，专移，实现海量数据的高效管理与处实时传输，标准确保不同系家资源可覆盖基层医院协作平台DICOM理云端系统支持弹性扩展，统间的互操作性网络的部署进支持多专家同时查看同一影像，进PACS5G按需分配计算资源，降低医疗机构一步提升了移动场景下的传输能力，行实时讨论和标注，提高疑难病例基础设施成本，同时提供更可靠使救护车、灾难现场等环境下的即诊断准确率，为分级诊疗体系提供IT的数据备份与灾难恢复能力时影像传输成为可能技术支持数据安全与隐私医学影像数据传输与存储面临严格的安全与隐私保护要求区块链技术可确保数据访问透明与可追溯，联邦学习允许在保护原始数据隐私的同时开展多中心研究与模型训AI练云端与远程成像系统正重塑医学影像学的工作模式，从传统的以设备为中心向以网络为中心转变这一转变不仅提高了医疗资源利用效率，也为人工智能应用提供了基础设施支持，使全天候、无地域限制的专业影像诊断服务成为可能前沿技术纳米成像纳米探针技术纳米成像技术临床转化前景纳米级成像探针直径通常在超分辨率显微技术如、、纳米成像在癌症早期诊断、药物输送监1-100nm STEDPALM范围，可穿越生物屏障到达特定靶点突破了光学衍射极限，实现纳测和神经退行性疾病机制研究中展现出STORM功能化纳米粒子表面可修饰靶向配体，米级分辨率，可观察单分子、单细胞水巨大潜力纳米探针可实现多模态、多实现对特定分子、细胞的选择性识别与平的生物过程功能整合，同时具备诊断与治疗功能显像（称为诊疗一体化）纳米和纳米技术通过硬件与软CT MRI常见纳米探针包括量子点高荧光强度件创新，将传统成像分辨率提升至纳米尽管面临生物安全性、稳定性和制备标与光稳定性、超顺磁性氧化铁纳米粒尺度，支持微小解剖结构与功能单元的准化等挑战，纳米成像技术正逐步从基子对比剂、金纳米粒子、光可视化，如神经突触连接和微血管网络础研究走向临床应用，预期将为精准医MRICT声成像和上转换纳米颗粒深层组织光疗提供强大工具学成像等前沿技术超高场MRI以上超高场系统微米级空间分辨率极高信噪比与敏感度先进神经与分子应用7T突破传统临床系统限制实现前所未有的解剖细节检测微弱信号与代谢物脑功能与代谢深入研究

1.5-3T超高场将静态磁场强度提升至、甚至更高，根据拉莫尔关系，信噪比近乎与磁场强度成正比增长这带来了显著的成像优势空间分辨率可达MRI7T

9.4T，能清晰显示脑皮质分层、海马亚区和小血管结构；功能敏感度大幅提高，可分辨毫米级皮质柱；波谱成像可检测低浓度代谢物，提供丰富

0.1-

0.2mm MRI的生化信息然而，超高场也面临诸多技术挑战，包括场不均匀性增强、特异性吸收率限制、磁敏感伪影放大和成像序列重新优化等目前超高场系统MRIB0/B1SAR主要用于神经科学研究，但随着技术成熟，正逐步扩展至临床应用，尤其在神经退行性疾病、血管疾病和肿瘤代谢研究中展现出独特价值前沿技术光声成像光学与声学结合兼具两种技术优势的混合成像1激光激发热声效应组织吸收光能转化为超声信号超声探测与信号重建3超声接收器采集声信号并重建图像光声成像是一种新兴的混合成像技术，结合了光学成像的高对比度和超声成像的高分辨率与深穿透性其基本原理是利用短脉冲激光照射组织，被吸收的光能转化为热能导致局部瞬态热膨胀，产生超声波，再由超声换能器检测并重建成像这一技术特别适合于显示含高血红蛋白组织，如血管和高灌注肿瘤光声成像具有多尺度成像能力，从器官到细胞层面都有应用，空间分辨率可达微米，穿透深度可达几厘米，远超纯光学技术临床应10-100用方向包括乳腺肿瘤检测、皮肤黑色素瘤诊断、血管成像和脑功能研究等与分子探针结合的分子光声成像可实现细胞受体、酶活性和基因表达的高特异性成像，为肿瘤微环境和药物递送研究提供强大工具前沿热点人工智能与成像结合临床应用挑战成像标准化与定量化不同设备、不同中心之间的成像参数和质量差异导致结果可比性差，影响多中心研究和大数据分析需要建立统一的采集规范、质量控制指标和图像处理流程，将主观定性评价转变为客观定量分析，提高诊断可重复性和精确度医疗资源与技术可及性先进成像设备分布不均衡，高端设备集中于大城市和三甲医院，基层医疗机构难以获得高成本限制了新技术普及，造成诊断能力差距远程放射学和移动成像设备是提高可及性的潜在解决方案专业人才培养跨学科人才缺乏是制约成像技术发展的重要因素现代医学成像需要同时具备医学、物理、工程和信息科学知识的复合型人才教育体系滞后于技术发展，专业培训项目不足，导致高素质技术人员短缺临床整合与工作流新技术引入往往难以无缝整合到现有临床工作流中，增加医生负担数据孤岛问题导致信息共享困难，影像学结果与其他临床信息分离需要重新设计以患者为中心的整合型诊疗流程技术局限与发展瓶颈技术类型主要局限潜在解决方向成像电离辐射风险，软组织对比双能量能谱，迭代重建，CT/CT度有限基于的超低剂量扫描AI成像长扫描时间，运动伪影，成压缩感知，并行成像，低场MRI本高强开放式系统超声成像操作依赖性强，深部组织穿辅助智能探头，造影增强，AI透有限三维实时成像成像空间分辨率低，示踪剂制备数字，全身同时成像，PETPET复杂新型示踪剂光学成像组织穿透深度浅，散射影响近红外区成像，光声成像，II严重自适应光学多模态成像设备兼容性，数据融合算法模块化设计，深度学习图像复杂配准与融合生物医学成像面临的根本性挑战是分辨率、灵敏度与安全性之间的权衡提高成像质量往往需要增加辐射剂量或延长采集时间，而这又受到患者安全和舒适度的制约生理运动（如呼吸、心跳）导致的伪影也是高质量成像的主要障碍，尤其在长时间扫描和高分辨率成像中安全性与伦理辐射安全管理对比剂安全问题电离辐射成像技术的长期风险评估与剂量优化钆对比剂沉积和碘对比剂肾病等风险控制应用伦理规范数据隐私保护AI4人工智能诊断的责任归属与监管框架医学影像数据共享与个人隐私平衡安全性始终是医学成像的首要考量对于涉及电离辐射的技术射线、、核医学，遵循正当化、优化和剂量限制三原则至关重要临床实践中应权X CT衡检查获益与潜在风险，避免不必要的重复检查设备质量控制和工作人员培训是确保安全操作的基础随着技术广泛应用，新的伦理问题不断涌现诊断系统的黑箱特性引发了诊断决策透明度和责任归属的争议；算法训练数据的代表性和公平性关AI AI系到诊断的准确性和普适性；跨机构数据共享与患者隐私保护之间的平衡需要严格的监管框架和技术解决方案建立包括医生、工程师、伦理学家和AI政策制定者在内的多学科委员会，共同制定医学应用的伦理准则，是应对这些挑战的重要途径AI中国生物医学成像发展现状科研与技术创新中国在生物医学成像领域的研究实力迅速提升，论文数量已跃居世界前列中科院、清华大学、北京大学等机构建立了一批国际一流的成像研究中心，在分子影像、脑连接组图谱和AI辅助诊断等前沿领域取得突破性进展科技部脑科学与类脑研究等重大专项为成像技术创新提供了强力支持产业与装备制造中国医学影像设备市场规模超过亿元，国产设备市场份额不断提升联影、迈瑞、东软等企业已成功研发高端、和系统，部分产品性能达到国际先进水平国1000CT MRIPET/CT产和超导系统已进入三甲医院，排及以上高端实现产业化分子影像设备、超声和光学成像系统国产化程度较高

1.5T

3.0TMRI64CT临床应用推广中国高端医学影像设备保有量快速增长，大型三甲医院影像中心设备配置已接近国际水平通过健康中国战略和分级诊疗体系建设，基层医疗机构影像设备配置不断改善远2030程影像诊断网络覆盖范围扩大，人工智能辅助诊断系统在多家医院试点应用，显著提高了优质医疗资源的可及性和服务效率中国生物医学成像领域正处于快速发展阶段，技术创新能力与产业化水平显著提升在数字化、智能化和精准医疗战略驱动下，成像技术将在中国医疗体系升级中发挥更加重要的作用然而，区域发展不平衡、高端核心技术依赖进口、专业人才不足等问题仍需系统性解决国外创新进展与趋势北美地区前沿发展美国依托强大的科研资金支持和产学研体系，保持生物医学成像领域领先地位国立卫生研究院持续推动脑计划，支持发展高分辨率神经成像新技术哈佛、斯坦福NIH BRAINInitiative等顶尖学府与、西门子等企业紧密合作，加速创新成果转化加拿大在分子影像探针开发和GE功能方法学研究方面贡献突出MRI欧洲特色研究方向欧洲通过地平线计划集中资源推动跨国合作研究德国在超高场和量Horizon EuropeMRI化生物标志物研究处于国际领先水平荷兰和英国在多模态影像数据挖掘和放射组学方面成果丰硕欧洲创新生态系统更注重成像技术与临床实践的紧密结合，以及长期队列研究对成像生物标志物的验证亚太地区发展势头日本凭借精密仪器制造优势，在超声成像和光学成像技术创新方面表现突出韩国政府大力投资医学影像，形成产业集群新加坡和澳大利亚建立区域性成像研究中心，注重AI分子成像与纳米技术结合亚太地区整体呈现技术追赶和局部突破并存的发展态势国际合作与数据共享全球成像研究趋向开放合作模式，大型国际项目如人类连接组计划Human整合多国资源和专业知识标准化数据采集协议和开放数据库Connectome Project建设成为推动领域发展的关键因素国际医学物理学会和国际磁共振医学会IOMP等组织促进全球学术交流与技术标准制定ISMRM生物医学成像的未来前景生物医学成像技术正朝着更快速、更精确、更智能、更便携的方向发展全身系统将实现一次扫描完成全身检查，大幅缩短采集PET时间并降低辐射剂量；便携式成像设备如手持超声、头戴式和可穿戴传感器将使医学成像走出放射科，直接应用于床旁、家庭和MRI社区环境多模态融合成像将从硬件整合走向功能性整合，实现真正的一站式检查超高分辨率成像将从宏观解剖延伸至细胞和分子水平，精准医疗赖以发展的高特异性分子探针将实现个体化疾病表征诊疗一体化将是重要发展方向，治疗过程实时监测和调整将成为常态医学成像的角色正从单纯的诊断工具转变为整合诊断、治疗和评估的综合平台，引领精准医疗新时代课程小结53核心成像模态基本成像原理射线、、超声、、光学成像物理相互作用、信号获取、图像重建X/CTMRIPET/SPECT4∞临床应用范畴创新发展空间疾病诊断、治疗规划、效果评估、科学研究多模态融合、人工智能、精准医疗通过本课程的学习，我们系统掌握了生物医学成像的基础理论、主要技术类型和临床应用从最早的射线到现代的分子成像，成像技术的发展见证了医学从经验型向精准化的转变我们了解到不同成X像模态各有特点和适用范围，多种技术互为补充形成完整的医学影像体系未来学习方向建议深入了解感兴趣的特定成像模态物理原理和应用技巧；掌握医学图像处理与分析的基本方法；关注在医学成像中的应用前沿；探索成像技术与其他学科如分子生物学、材:123AI4料学的交叉融合；参与临床或科研实践，将理论知识转化为解决实际问题的能力生物医学成像是一个充满活力和机遇的跨学科领域，期待大家在未来的学习和工作中做出贡献5致谢与答疑课程参考资源常见问题解答《医学影像物理学》中文教材不同成像技术如何选择与组合使用••《医学影像诊断学》临床参考如何平衡诊断价值与辐射风险••《》英文经典人工智能会取代放射科医生吗•Principles ofMedical Imaging•《》医学成像技术人员的职业发展路径•Molecular Imaging:Principles andPractice•国际期刊等如何评价新型成像技术的临床价值•:Medical Physics,Radiology,MRM•在线学习平台医学影像专题跨学科背景如何进入成像研究领域•:Coursera•联系与交流课程网站•:imaging.university.edu.cn教师邮箱•:imaging@university.edu.cn学习小组群•:QQ123456789实验室开放日每月第一个周五•:学术讲座详见医学院公告栏•:相关课程医学物理学、解剖学、病理学•:感谢各位同学在本学期的积极参与和认真学习！我们特别感谢各临床科室的专家教授提供的宝贵临床案例，感谢实验室技术人员对实践环节的支持，以及教务处对课程建设的大力支持现在我们开放提问环节，欢迎大家就课程内容或相关专业问题进行提问对于今天无法完全解答的问题，我们会在课程网站上陆续补充课后也欢迎通过邮件或办公时间与教师团队进一步交流祝愿大家在生物医学成像这一精彩领域的探索中取得更大进步！。