重磅 | “生物医学影像成长计谋”专辑出书_头条

生物医学影像作为研究生命科学的工具和手段，为生命科学的一次次研究突破作出了重要贡献。生物医学影像萌芽于放射学领域，不断壮大成长为囊括X射线成像、核素成像、超声成像、核磁共振成像、光学成像、质谱成像、生物电/磁成像、电子显微成像等多种成像技术的领域。作为新兴交叉学科，生物医学影像扎根于物理学、数学、化学、信息科学、工程科学等基础学科，支撑生命科学、医学、药学、脑与认知科学等学科的发展，其自身的特殊地位不容忽视，对其进行科学合理的学科发展战略规划意义深远

2016年，中国科学院数学物理学部联合国家自然科学基金委员会，建议对生物医学影像的学科发展战略研究立项。该项目于2017年启动，由叶朝辉院士负责，依托中国科学院武汉物理与数学研究所和华中科技大学，邀请了13位院士和3位海外华人教授、3位国家自然科学基金委管理专家组成战略研究组，建立了12个由国内相关领域青年领军人才组成的秘书工作组，由骆清铭教授和周欣研究员担任秘书工作组组长。

2018年11月17-18日，项目组在苏州召开了以“生物医学影像发展战略”为主题的“科学与技术前沿论坛”。论坛研讨成果以“生物医学影像发展战略”专辑的形式在《中国科学: 生命科学》出版。专辑邀请了项目秘书总体组专家、工作组的12位组长分别撰写评述文章，为读者介绍生物医学影像学科各分支领域最新的研究进展和发展趋势研判，务求展示生物医学影像及其分支领域的总体和细节面貌，发出中国科学家的声音，吸引更多的国内科研人员找到合适的切入点，投身生物医学影像这一不断发展壮大且极具前景和魅力的研究领域。

专辑简介

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叶朝辉研究员

特邀编辑

中国科学院院士

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院

华中科技大学武汉光电国家研究中心

骆清铭教授

特邀编辑

中国科学院院士

海南大学

华中科技大学武汉光电国家研究中心

周欣研究员

特邀编辑

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院

华中科技大学武汉光电国家研究中心

骆清铭，周欣，叶朝辉

生物医学影像作为一门新兴交叉学科，建立在物理学、数学、化学、信息科学、工程科学、生命科学、医学的基础上，是贯穿生物医学基础研究和临床诊疗的必备手段，推动了生命科学和医学领域的一次又一次飞跃。生物医学影像不仅是建设健康中国的重要支柱，也是实施智能制造和国家大数据战略的重要抓手；不仅能为建设科技强国和人才强国做出贡献，也是国家安全和社会稳定的重要保障。本文从梳理生物医学影像的发展规律与发展趋势入手，重点剖析了有史以来我国对生物医学影像研究的重视程度与投入情况，归纳了我国生物医学影像研究的产出情况，总结介绍了一些有代表性的优势研究领域，进而对我国生物医学影像的发展现状进行竞争态势分析，最后提出展望和建议。

毕国强教授

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心

中国科学院深圳先进技术研究院

陶长路，张兴，韩华，梁文锡，赵经纬，毕国强

电子显微技术(简称电镜)因其超高分辨能力，成为人类认识微观世界的最主要技术手段之一，并广泛应用于生物医学研究领域。随着物理、生物、信息等多学科技术的发展和融合，电子显微镜在分辨率、成像尺度和自动化等多个方面不断取得突破，特别是冷冻制样技术和直接电子探测相机的发展使得冷冻电镜技术能够直接解析生物大分子的原子分辨率三维结构。另一方面，对生命活动过程的研究往往跨越多个时空尺度，甚至需要追踪生物事件发生的动态过程，这就要求研究手段在分辨率、原位成像、动态、多尺度、多模态、高特异性和高通量等特性上不断拓展。针对这些需求，生物医学电镜及相关技术的主要发展方向包括：(ⅰ) 高分辨冷冻电镜技术，通过更精确的三维重构理论和电子光学成像技术进一步提高信噪比和分辨率，实现对更大、更小生物分子的原子分辨率结构解析；(ⅱ) 基于冷冻电子断层三维重构的多模态成像技术，通过更优化的冷冻制样减薄技术、亚区域三维重建技术等，实现对组织与细胞中蛋白质等大分子复合物的结构与相互作用的原位解析，并通过与光学成像的动态性与特异性的有效整合，实现结构与功能研究的结合；(ⅲ) 大尺度三维重建的体电子显微成像技术，通过优化样品制备、成像及分析，实现整个流程的高通量系统集成，从而进行脑联结组等生物结构的图谱重建；(ⅳ) 具有飞秒量级时间分辨的超快电镜技术，通过进一步发展脉冲电子源、液相样品室等，将为蛋白质分子异构、生物组织与纳米材料的物理化学相互作用等动态过程研究提供新的观测工具；(ⅴ) 大数据存储和处理技术与基于人工智能的图像处理方法，将进一步推动海量电镜数据的快速、高效、自动化的处理与分析。本文重点评述了以上技术方向的发展趋势、所面临的瓶颈问题以及可能的突破点，并展望了其在未来推动生物医学基础研究和转化应用的前景。

王凡教授

北京大学医学同位素研究中心

中国科学院生物物理研究所

陈思，史继云，王凡

核医学影像在疾病的诊断、分期、预后、疗效评价以及指导个体化治疗方面发挥着不可替代的作用，已在临床广泛应用。核医学影像的发展取决于显像剂和显像设备的不断进步。我国核医学已走过60多年的发展历程，完成了药物和设备的从进口到国产替代的转变，如今进入自主创新的发展阶段。本文叙述了放射性药物和核医学影像仪器的发展和现状，并对我国核医学的发展进行了展望。

滕皋军教授

东南大学附属中大医院

曹红光董事

上海奕瑞光电子科技股份有限公司

张弘毅，李运祥，曹斌，陆遥，曹红光，解菁，滕皋军

X射线成像技术在医疗领域中具有举足轻重的地位，它利用韧致辐射的原理产生X射线，并通过不同组织对特定能量X射线吸收系数不同而产生射线密度和能谱分布的图像。主要设备有X射线机、计算机断层扫描(computed tomography，CT)以及数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)三种。随着计算机技术、人工智能技术以及材料学的飞速发展，影像技术正在经历广泛而深远的改变。一大批全新的成像技术已经逐渐应用于医学领域，并使现有的X射线成像技术飞速发展。本文综合探讨了X射线三大成像设备的发展历史，以及未来技术的主要突破点，同时还对我国X射线技术可能的发展趋势做出预测并提出建议。

席鹏教授

北京大学工学院生物医学工程系

吴若楠，卞雨晗，席鹏

X射线显微技术能够弥补光学显微镜分辨率的不足和电子显微镜成像深度的不足，具有很大的应用潜力。本文对已有文献进行综合，从透射、散射、衍射等成像原理方面介绍X射线显微技术，包括透射X射线显微成像、小角X射线散射成像、相干X射线衍射成像、X射线全息术等技术。本文同时介绍了多个技术的结合应用,如扫描透射X射线显微成像与相干X射线衍射成像的结合、叠层衍射成像和扫描小角X射线散射成像的结合、X射线显微技术与荧光技术的结合。不同技术取长补短，获得了信息更全、质量更高的成像结果。最后，本文从快速定位、算法、射线源、样品制备4个改进方面介绍了X射线成像技术的研究进展。

付玲教授

华中科技大学武汉光电国家研究中心

付玲，骆清铭

光学成像与生物医学领域的交叉融通可追溯至17世纪用显微镜观察微生物开始。几个世纪以来，光学成像不断拓展其内涵与外延，因高分辨、多尺度、多维度、易集成以及低辐射等优势，在生物医学领域的基础研究和临床诊疗中展现出源源不断的生命力，为生命科学信息的获取、处理和可视化提供了变革性科学仪器和科学工具，是人类从认识微观生物体结构到理解动态生命过程的创新源泉。本文从生物医学光学成像的发展现状入手，针对生物医学光学成像技术的几个重要方向，分别阐述了其进展与未来发展趋势。

杨芃原教授

复旦大学

闵行中心医院

杨芃原，刘颖超，赵和玉，李顺祥

质谱分子成像是发展迅速的研究领域，特别是在生命科学和医学领域，生物组织的各类生物小分子、大分子目前已经可以由先进的质谱技术予以成像。这些生物分子和生物体的生理和病理状态有着密切的联系，因此,质谱分子成像是对光学类形态成像的很好补充。目前常用的分子质谱成像技术有三类: 近几年发展起来的基质辅助激光解吸电离(matrix assisted laser desorption ionization，MALDI)质谱成像、二次离子质谱(secondary ion MS，SIMS)成像以及解吸电喷雾电离(desorption electrospray ionization，DESI)质谱成像。本文评述了这三种质谱成像的原理、技术及其在科学研究和临床研究中的应用。三种质谱成像的特点可总结为: 空间分辨率分别在100，10，0.1~1 μm数量级左右；工作介质分别为大气压、真空/低气压、真空；分析对象分别为小分子、肽/蛋白/核酸、小分子或无机元素；应用领域大致为环境/生物医学、生物医学、环境/材料科学。

郑海荣研究员

中国科学院深圳先进技术研究院

邱维宝研究员

中国科学院深圳先进技术研究院

郑海荣，邱维宝，王丛知，牛丽丽，严飞，蔡飞燕，邹超，隆晓菁，乔阳紫，肖杨

近年来，医学超声波新技术层出不穷，超声已从传统的基于声阻抗差异的物理成像诊断，逐步向“诊断-给药-治疗”的多功能诊疗技术融合。受益于力学效应等声波物理特性的新应用以及信息技术发展，新型超声成像技术，包括超声弹性成像、超声分子影像、超快与超分辨超声成像等极大地拓展了医学超声成像技术的应用：弹性超声可获取组织的力学参数、高分辨率超声可获取微米级分辨率的微细血管图像。此外，新型声镊、超声操控给药、神经调控技术和血脑屏障可逆开启等为脑疾病治疗和脑科学研究提供了独特的方法和工具。超声的机械波属性与磁共振成像的兼容，为影像引导精准治疗发展提供一种天然的优势技术。本文对超声成像与治疗技术近来的代表性研究进展进行了系统性的介绍，并分析探讨了诊疗新技术值得关注的发展方向。

尧德中教授

电子科技大学生命科学与技术学院

四川省脑科学与类脑智能研究院

卓彦研究员

中国科学院生物物理研究所

张杨松，卓彦，尧德中

无创脑电磁成像技术以其高时间分辨率，且可通过源成像技术有效提高空间分辨率的优势，在推进大脑认知原理和脑疾病机制研究中起着不可或缺的作用。本文从脑电/磁信号处理、脑电/磁逆问题、脑电/磁设备、脑电/磁应用等几个主要方面，综述了相关研究的主要进展，探讨了脑电/磁领域的若干前沿问题，展望了今后需要重点关注的方向。

高家红教授

北京大学物理学院

北京大学前沿交叉学科研究院

高家红，雷皓，陈群，杜一平，梁栋，卓彦，龚启勇，周欣

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是目前临床医学诊断和基础生命科学研究中最重要的影像学工具之一，具有无损无创、软组织对比度高、成像参数和对比度众多、图像信息丰富等特点。近年来，磁共振成像在仪器技术和应用研究方面都取得了飞速的发展。超高场强、超快速和超灵敏磁共振成像等一批尖端成像技术正在走向临床，并与大数据、人工智能、诊疗一体化等其他先进技术相互渗透、相互融合。在应用研究方面，磁共振成像在肿瘤分子影像、脑功能成像、脑连接组研究等方面也正发挥着越来越重要的作用。本文简介了磁共振成像发展历史及基本原理，梳理了磁共振成像仪器技术、方法学和应用研究中的关键科学问题，提出了我国磁共振成像研究的发展思路和重点研究方向。

蒋田仔研究员

中国科学院自动化研究所

左年明，蒋田仔

随着脑影像技术和计算技术等领域的发展，基于活体影像的脑科学研究呈爆发式增长，并受到来自多种不同学科领域研究人员的广泛关注，其中包括神经科学、临床医学、心理学以及工程技术等学科领域。近年来，不同学科交叉融合形成了新的研究方向和领域，这也是脑科学发展独具学科特色的研究模式。对于活体人脑结构和功能信号的检测技术而言，许多技术在基础科研和临床上已经得到比较广泛的应用，包括多模态磁共振技术、脑电及脑磁技术等。与此同时，脑科学研究在时间和空间分辨率上对脑信号检测技术提出了更高的要求，由此产生的数据为后期的数据挖据、建模分析等技术带来了更多的挑战。为了更好地描述从多时空尺度研究大脑的模式，本团队在国际上提出了“脑网络组学”的概念。本文系统回顾了目前基于影像的脑科学研究在非侵入性宏观影像层面有代表性的技术，同时强调了多模态多种技术的联合应用，即“脑网络组学”的研究背景和内涵。文章最后对脑网络组学研究发展作出展望。

田捷教授

北京航空航天大学医工交叉研究院

中国科学院自动化研究所

西安电子科技大学

宋彬教授

四川大学华西医院

李宏军教授

首都医科大学附属北京佑安医院

韩玉齐，魏靖伟，蒋涵羽，牛猛，刘兵，付芳芳，顾东升，郝小涵，李宏军，宋彬，田捷

顾力栩教授

上海交通大学医疗机器人研究院

赵愉，王得旭，顾力栩

计算机辅助诊断是医学影像分析发展的重要方向之一。该技术具有精确定量分析、可重复处理，降低影像医师工作负担等优点。本文对近年来国内外基于人工智能技术的计算机辅助诊断技术的研究进展进行了综述和讨论，介绍了当前针对医学影像的计算机辅助诊断系统所涉及的人工智能算法、流程及相关技术，分析了目前研究所存在的不足和挑战，并提出了有可能弥补这些不足的新思路。通过深入的分析研究发现，相比传统有监督学习方法，半监督学习方法更贴近医学任务的实际需求，同时也能大幅降低系统的实现成本，因此本文认为，对半监督方法的研究与发展是医学影像分析领域的研究新趋势，对医学影像的计算机辅助诊断系统的研究有重要意义。

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