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分子影像学与分子影像技术第一讲小动物在体成像与分子影像

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影像核医学课件 第三章 分子影像学技术

影像核医学课件 第三章 分子影像学技术

CT、MRI、PET及SPECT显像探测 的浓度阈值
• 显像设备
探测原素 探测浓度阈值 原子数
CT
I
2mmol
1000×106
MRI
Gd、Fe
40μmol
30×106
PET、SPECT 18F、99mTc、
10pmol
100
131I
第二节 分子影像在疗效监测及肿瘤 个性化治疗中的应用
• 分子影像与诊断 • 分子影像与治疗决策 • 分子影像与早期疗效评价 • 分子影像与肿瘤残余、复发和治疗后纤维
第三章 分子影像学技术
第一节 核医学分子影像概要
• 一、分子影像的定义 • 是在分子和细胞水平，采用2D或3D图像，可视化
的实时、定量的显示，测量人或其它活的生命系 统的生物学过程的影像学方法。 • 方法包括：核素示踪显像（即核医学）、MR显像 /MRS、光学成像、超声成像等方法。 • 其中核医学分子影像是目前最成熟的分子影像学 技术。
报告基因表达显像
• 原理：报告基因显像是指报告基因所表达的蛋白 质与放射性核素标记的报道探针发生反应或特异 结合，局部形成放射性浓聚，通过显像的方法对 报告基因的表达进行监测的一类显像方法。
• 种类：外源性的报告基因显像和内源性的报告基 因显像。 外源性报告基因显像根据报告基因表达生 物的不同，又可分为酶/底物报告基因显像系统和 受体/配基报告基因显像。
报告基因表达显像
二、分子探针
• 可以是内原性的，也可以是外原性的； • 受体的配体、特异性酶的底物， • 抗体、多肽、蛋白等大份子，核苷酸类及
基因表达显像剂等。
三、研究对象及设备
临床设备： • PET、SPECT、MRI 临床前设备主要有： • micro-PET、micro-SPECT、光成像仪

生物医学中的分子影像学技术

生物医学中的分子影像学技术

生物医学中的分子影像学技术随着科技和医学的发展，人们对于疾病的理解和诊疗方法也有了很大的改变。

特别是在医学影像学这个领域，分子影像技术的应用越来越广泛。

分子影像技术是一种以细胞、分子水平为基础的医学影像学方法，可以在他人无法达到的高度，对疾病、器官及生物体的各种类型进行可视化观察和诊断。

在本文中，我们将探讨生物医学中的分子影像学技术。

一、背景随着生物医学的快速发展，新型分子影像技术的出现在生物医学研究中发挥着越来越重要的作用。

分子影像技术利用分子标记的方法，对分子在生物体内的分布、代谢、机能和分子与分子之间的相互作用等信息进行观察和研究。

这项技术可以提供更详尽和准确的结构功能解析信息，有助于医学家对疾病的诊断和理解。

二、技术类型1. PETPET(正电子发射断层扫描)技术被用于红细胞代谢活动的可视化，通过丰富的生物标记方法，可以用于以糖代谢为基础治疗癌症的方法，还可以将药物的活性与它们在活体组织中的分布联系起来。

2. SPECTSPECT(单光子发射计算机断层扫描)技术主要用于心血管患者的检查，通过向体内注射放射性同位素分子，然后观察其在心血管系统中的分布和血流动力学。

3. MRIMRI(磁共振成像)技术是被广泛应用于临床医学的一种高精度成像方法。

MRI能够拍摄出连续多张图像，对复杂器官的观察具有很大的实用价值，如对中枢神经系统的分析和评估。

4. CTCT(计算机断层扫描)技术通过一系列图像进行多层次扫描。

这种方法能够提供胸部和腰部的荧光染料扫描，并使用不同的波长进行检测。

5.光学影像学技术光学影像学技术因能够便捷、灵活、成本更低而获得良好的应用。

光学成像方法对多种蛋白、DNA和小分子药物进行定量和定位，由此可以进行细胞和生物体的信号传递。

三、临床应用1.神经科学神经科学是由神经元（神经系统的基本单元）控制的体系，神经科学涉及到人的认知活动、思维、感知、学习等复杂过程，这些过程也涉及到神经元间的信号传导，而分子影像技术能够提供准确的信号传导信息，可以为神经科学研究提供有力的支持。

小动物分子影像介绍

小动物分子影像介绍
• 受体显像
是放射性标记的配体与细胞膜受体结合的影像。可以 “为观察细胞间和细胞内的生物学过程提供窗口”，特别 是“观察执行基因编码指令的蛋白质生化过程”。其研究 涉及细胞之间和细胞与其他分子之间的识别、信息跨膜转 导（或传递）及细胞的生理和病理反应等生命现象。 疾病使受体的数目和亲和力有所改变，过去只能在 体外检测，现在可体内直接检测。此外在已知其配体结合 位点结构的基础上可设计出更好的放射性配体。
多肽 激素 配体 抗体
酶、蛋白质的 底物、结合物
基因转染物的底物 反义探针
靶分子的鉴定和标记分子的确定－ 化学系李富友教授、黄春辉院士，光学成像仪
药学系放射药学 朱建华教授
骨骼疾病研究-药物研发
建立骨折模型 判断愈合过程 F-18离子 小动物PET/CT 显像研究
建立骨转移模型 判断抗癌药疗效
核医学与分子影像国际会议
• • • • • PET / CT for Radiation Oncology by University of Pittsburgh Medical Center 4th Annual Symposium on PET/CT and Molecular Imaging by Stanford University School of Medicine 4th Annual Small Animal Imaging Workshop at Stanford by Stanford University Department of Radiology Imaging and Drug Development by Keystone Symposia on Molecular and Cellular Biology 2009 World Molecular Imaging Congress (WMIC 2009) by the Academy of Molecular Imaging (AMI), the Society for Molecular Imaging (SMI), the European Society for Molecular Imaging (ESMI), the Federation of Asian Societies for Molecular Imaging (FASMI) 18th International Symposium on Radiopharmaceutical Sciences (ISRS) SNM 56th Annual Meeting by USA Society of Nuclear Medicine EANM'09 Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine

分子影像技术

分子影像技术

分子影像技术
分子影像技术是一种基于分子的解析技术，已经在医学，生物学，药学研究领域得到广泛应用。

该技术可以用来直接观察和模拟蛋白质，糖蛋白，多肽和各种激素，以及它们不透明的结构，而且还可以提供研究材料的化学受体信息，并为其他生物学研究打开新的空间。

分子影像技术可以直接观察分子水平的细节，以及它们在空间上的变化和变形，用来识别和分析细胞表面的信号，有助于锁定和测量分子间的相互作用。

也可以实现微观图像分析和分子标记，构建细胞功能，并可应用于许多研究领域，比如分子，生物，植物，动物，微生物等。

分子影像技术可以帮助科学家以及医学诊断和治疗，找到疾病的特异机制，以及利用它们研究药物的新的疗效。

使用这种技术，可以更好地识别和检测疾病，并有可能开发药物更有效地治疗病症。

此外，分子影像技术也可以改变我们对生命过程的理解。

它可以用来推断生物系统的复杂性和其功能的智能打开，并促使开发更多更好的微环境仿真和机器学习系统。

总之，分子影像技术已经成为当前生命科学研究中不可或缺的技术，在医学领域以及生物科学中都发挥着重要作用。

它为我们提供了更好更精准的解决方案，从而可以更好地应用到实践中，给人们带来更多的利益和帮助。

小动物多模态光学分子影像成像方法与系统

小动物多模态光学分子影像成像方法与系统

小动物多模态光学分子影像成像方法与系统当前，小动物模型在生物医学研究中扮演着重要的角色。

然而，传统的研究方法往往只能提供有限的信息，难以全面了解小动物体内的生理变化和疾病发展。

因此，开发一种能够同时提供多种信息的成像技术变得非常重要。

多模态光学分子影像技术通过结合不同的成像技术，可以同时获得多个方面的信息。

其中，光学成像技术是其中的重要组成部分。

光学成像技术基于光的物理特性，可以对生物样本进行非侵入性的成像，获取其内部结构和功能信息。

常用的光学成像技术包括荧光成像、双光子成像和近红外光成像等。

荧光成像是一种常用的光学成像技术，通过注射荧光探针或基因标记物，可以实现对特定分子或细胞的成像。

荧光成像技术具有高灵敏度和高分辨率的优点，可以在体内实时观察生物过程。

双光子成像则是一种基于激光扫描的技术，能够获得更深层次的图像信息。

近红外光成像则利用近红外光的穿透性较强的特点，可以对深层组织进行成像。

除了光学成像技术，分子影像技术也是多模态光学分子影像的重要组成部分。

分子影像技术通过利用特定的探针或标记物，可以实现对生物分子在体内的定位和定量。

常用的分子影像技术包括正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和磁共振成像（MRI）等。

多模态光学分子影像技术将光学成像和分子影像技术相结合，可以同时获取不同层次的信息。

例如，可以通过荧光成像观察特定分子的表达情况，通过双光子成像观察组织的结构和功能，通过PET或SPECT观察分子的分布和代谢情况，通过MRI观察器官的解剖结构和代谢活动等。

这些信息的综合分析可以为研究人员提供全面的生物学信息，帮助他们深入了解小动物的生理和病理过程。

为了实现多模态光学分子影像，需要设计相应的成像系统。

这种系统通常由光学成像装置、分子影像装置和数据处理系统组成。

光学成像装置包括光源、光学透镜和光学探测器等，用于发射和接收光信号。

分子影像装置则包括放射性同位素或磁性探针等，用于标记和探测特定分子。

分子影像技术

分子影像技术

意义
分子影像技术与经典的医学影像技术相比，具有“看得早”的特点，经典的影像诊断（X线、CT、MRI、超声 等）主要显示的是一些分子改变的终效应，即器官发生了器质性变化之后才能进行观察，仅能用于具有解剖学改 变的疾病检测。而分子影像技术能够探查疾病过程中细胞和分子水平的异常，在尚无解剖改变的疾病前检出异常， 为探索疾病的发生、发展和转归，评价药物的疗效中，起到连接分子生物学与临床医学之间的桥梁作用。
分子影像涉及的专业领域包括分子生物学、生物医学影像、临床医学、药物化学、生物化学、药学、信息技 术、光电子技术、影像物理学等多学科综合交叉，这也是国际著名大学和科研院所近二十年来争相发展的重要标 志性学科。
分子影像学会
世界分子影像学会是国际分子影像领域唯一的全球性学术组织，也是全球五大洲分子影像学会的总会，每年 主办分子影像领域规模最大、水平最高、影响力最广泛的学术会议——世界分子影像大会，并出版分子影像领域 重要学术期刊《分子影像与生物学》。
产品比较
国外产品状况
国内产品状况
分子影像产品的研究与发展，是伴随着分子影像成像理论和成像算法的发展而逐步发展的。在荧光标记的分 子成像方面，世界上仅有少数实验室研制成功可以对小动物进行跟踪性在体荧光断层分子影像的系统。
近年来，国外某些公司改进了现有的体外荧光成像技术，发展出适用于动物体内的成像系统。荧光发光是通 过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产生发射光。常用的有绿色荧光蛋白(GFP)、红色荧光蛋白(DsRed) 及其他荧光报告基团，标记方法与体外荧光成像相似。荧光成像具有费用低廉和操作简单等优点。同生物发光在 动物体内的穿透性相似，红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性要好得多，近红外荧光为观测生理指标的最佳选 择。现有技术采用不同的原理，尽量降低背景信号，获取机体中荧光的准确信息。

《分子影像介绍》课件

《分子影像介绍》课件

1 2 3
转化医学研究
加强转化医学研究，将实验室研究成果转化为临 床实用的分子影像技术，提高疾病的诊断和治疗 水平。
培训与教育
开展针对临床医生和研究人员的分子影像培训和 教育活动，提高他们对分子影像技术的认识和应 用能力。
制定行业标准与规范
制定分子影像技术的行业标准和规范，促进技术 的标准化和规范化发展，推动其在临床的广泛应 用。
详细描述
正电子发射断层扫描通过引入标记的短寿命放射性核素，检测其在体内的分布， 从而反映器官或组织的代谢活性。该技术对于肿瘤、心血管疾病等疾病的早期诊 断具有重要价值。
单光子发射计算机断层扫描
总结词
一种利用放射性核素标记的药物进行成像的技术。
详细描述
单光子发射计算机断层扫描通过注射放射性核素标记的药物，利用探测器检测药物在体内的分布和代谢，从而反 映器官或组织的生理和病理状态。该技术广泛应用于心血管、肿瘤等疾病诊断。
《分子影像介绍》ppt课件
目录
• 分子影像概述 • 分子影像技术原理 • 分子影像在医学中的应用 • 分子影像的未来发展 • 结论
01
分子影像概述
定义与特点
定义
无创性
高分辨率
高灵敏度
分子影像是一种无创、无痛、 无损的医学影像技术，通过高 分辨率和高灵敏度的成像设备 ，对活体组织中的分子进行成 像，以揭示生理和病理过程。
利用新材料、纳米技术等手段，开发 具有更高灵敏度和特异性的新型分子 探针，提高影像诊断的准确性。
将不同模态的分子影像进行融合，如 光学、核医学、MRI等，以提供更全 面、精准的疾病诊断信息。
影像设备升级与智能化
推动分子影像设备的技术革新，提高 设备的空间分辨率、时间分辨率和灵 敏度，同时实现智能化、自动化操作 。

医学中的分子影像技术

医学中的分子影像技术

医学中的分子影像技术指的是将分子水平的信息转化为影像来展现疾病的发生机制和治疗效果等信息的技术。

该技术通过可视化疾病的分子标记物，为医生提供了更为精确、准确的疾病诊断和治疗策略选取等帮助。

本文将围绕着分子影像技术的原理、应用场景及未来发展等方面加以分析探讨。

一、分子影像技术的原理分子影像技术的核心是显像探针，它是一种可以在体内标记特定分子的物质。

常用的显像探针有:1.单光子发射计算机断层成像(SPECT)显像探针：该探针通常由放射性物质和一种受体配体组成。

和受体相结合后通过放射性信号使得受体受到探针的辐射，显像出来的影像可以清晰的反映出受体的分布、浓度、特异性和生物学程度。

2.正电子发射计算机断层成像(PET)显像探针：该探针同样是由放射性物质和特定配体组成。

它可以通过检查检测特定的细胞分子如葡萄糖、氧气或其他化合物的摄取或代谢，来辅助诊断心脑血管疾病、肿瘤等。

3.磁共振影像(MRI)显像探针：该探针通常是一种具有磁性的物质，通过对物质分子中的核和电子施加磁场和电磁波来显像。

比如Gadolinium-DTPA是一种可以改变局部磁场的物质，在磁场中通过磁共振可以显像出它的分布情况。

通过将这些显像探针与分子结合起来，就能够实现对分子的定位、分布、代谢以及与其它分子的作用等分子水平的测量。

二、分子影像技术的应用场景分子影像技术的应用场景非常广泛，在诊断患者疾病时常常用到。

常见的应用有：1.癌症诊疗：分子影像技术可以通过检测癌细胞表面的特定受体或蛋白质的分布来定位和量化肿瘤，有助于早期发现和诊断肿瘤，并为治疗提供指导。

2.脑部神经元损伤：分子影像技术可用于检测脑部神经元的损伤程度。

如目前应用较多的意识障碍病人的维护药物，就是通过检测脑部神经元的代谢情况来辅助诊断的。

3.胶质瘤的检测：在胶质瘤的治疗中，分子影像技术可以通过检测肿瘤细胞发生的变化，以找到可以减去或摆脱的疾病因素4.研究新的治疗药物：通过分子影像技术可以研究新药的在体内动态和静态的特性及其对具体受体的反应，以更好地测试新药物的有效性和安全性。

影像学中的分子影像学技术

影像学中的分子影像学技术

影像学中的分子影像学技术随着医学及生物领域的不断发展，分子影像学技术在临床应用中越来越重要。

分子影像学技术可以通过可视化生物分子结构及其在生理和病理条件下的表达情况，帮助医生更准确地诊断和治疗疾病。

一、分子影像学技术的基础
分子影像学技术的基础是光子学、化学及生物学等学科的理论和方法。

分子影像学技术主要通过核磁共振成像、正电子发射断层扫描、单光子发射计算机断层扫描等方法，观察和分析有机分子在细胞和生物体内的空间分布、代谢途径及分子相互作用等。

二、分子影像学技术的应用
分子影像学技术可以在生物医学研究、临床诊断和治疗等多方面发挥作用。

它可以帮助科学家们更准确地了解分子机制，促进药物研发及治疗方案的优化。

在临床领域，分子影像学技术可以帮助医生更准确地诊断和监测疾病的治疗进程。

例如，杂交成像技术可以用于动态监测肿瘤治疗的反应，核磁共振成像则可以用于检测神经系统和心血管系统的病变等。

在科学研究方面，分子影像学技术可以帮助研究者揭示各种神秘的生命现象，例如：认知功能和脑神经元的复杂交互作用、肌肉代谢中的营养消耗、癌症细胞的化学元素等。

三、分子影像学技术的前景
随着分子影像技术不断发展，未来其应用前景将更加广泛。

例如，磁共振成像技术可能用于肝脏病变的定量测量和评估，以及脂质代谢异常疾病的治疗效果检测。

另外，分子影像学技术还有望成为个性化治疗的实用工具。

通过观察患者个体细胞或分子水平表达异常，医生可以更详细地规划病人的治疗方案，从而提高治愈率和降低复发率。

总之，分子影像学技术是众多医疗、生物及化学研究领域的重要组成部分。

其不断的发展与创新，将为人类健康事业的发展带来更广阔的发展前景。

第九版核医学课件核医学分子影像

第九版核医学课件核医学分子影像
➢ 分子靶向治疗是通过干扰肿瘤生成和生长的靶向分子达到阻断肿瘤细胞生 长的目的的治疗方法。
➢ 64Cu-DOTA标记的曲妥珠单抗PET分子影像能显影HER-2阳性乳腺癌脑转 移病灶。18F-FES PET分子影像高代谢灶往往提示ER阳性的乳腺癌原发灶 或转移灶。这些受体显像的不断发展将使无创实现乳腺癌病理分子分型在 不久的将来成为可能。
➢ 影像组学包含以下几个步骤：数据采集，病灶检测，病灶分割，特征提 取和信息挖掘。
核医学（第9版）
影像组学处理流程
核医学（第9版）
二、核医学分子影像在影像组学的应用
PET-CT将PET与CT完美融为一体，由PET提
供病灶详尽的功能与代谢等分子信息，而CT提供
病灶的精确解剖定位，一次显像可获得全身各方
核医学（第9版）
2. 质子和重离子治疗监测
质子和重离子治疗目前主要采用质 子和碳离子。重离子具有深度剂量分布 特征和横向散射优势，对癌细胞有强杀 伤作用，并对癌细胞增殖周期、细胞内 氧浓度及癌细胞的损伤修复依赖性很低， 能够有效杀死癌细胞，是目前最先进的 放射治疗技术。
各种放射线体内剂量分布
核医学（第9版）
核பைடு நூலகம்学（第9版）
3. 干细胞治疗疗效评估
➢ 干细胞治疗是把健康的干细胞移植到患者体内，以达到修复或替换受损细胞 或组织，从而达到治愈目的的治疗手段。干细胞治疗过程中，移植后干细胞 在体内的植入、分布、存活、迁移等，需要分子影像方法进行时空动态示踪 和评估。
➢ PET分子影像方法发现了体外诱导多功能干细胞（iPSC）移植后神经修复与 功能恢复的时空动态变化规律。
第五章
核医学分子影像
第一节 分子影像与核医学分子影像的概念 第二节 核医学分子影像的应用实例 第三节 核医学分子影像与影像组学

分子影像学

分子影像学

影响
至此，影像医学发展逐渐形成了3个主要的阵营：经典医学影像学：以X线、CT、MR、超声成像等为主，显 示人体解剖结构和生理功能；以介入放射学为主体的治疗学阵营；分子影像学：以MR、PET、光学成像及小动物 成像设备等为主，可用于分子水平成像。三者是紧密的一个整体，相互印证，相互协作，以介入放射学为依托， 使目的基因能更准确到达靶位，通过分子成像设备又可直接显示治疗效果和基因表达。分子影像学对影像医学的 发展有很大的推动作用，也与传统的医学影像学紧密相连。一些医疗器械制造商因此开发出了相应的产品，如西 门子的Biograph 16 TruePoint（正电子发射及计算机断层扫描系统），融合影像系统以及前沿的应用软件，使 研究人员能够识别特定的生物学过程、监测化合物的效用、实时测量疾病进展，促进了基础研究和药物研发工作， 使影像医学从对传统的解剖、生理功能的研究，深入到分子水平的成像，去探索疾病的分子水平的变化，将对新 的医疗模式的形成和人类健康有着深远的影响。分子影像学概念分子影像学与传统影像学的对比 自从X射线发明 以来，医学影像技术的发展大概经历了三个阶段：结构成像、功能成像和分子影像。医学影像技术(包括结构成像 和功能成像)和现代医学影像设备(如：计算机断层成像CT、核磁共振成像MRI、计算机X线成像PET、B超)的出现， 使得传统的医学诊断方式发生了革命性变化。但是随着人类基因组测序的完成和后基因组时代的到来，人们迫切 需要从细胞、分子、基因水平探讨疾病(尤其是恶性疾病)发生发展的机理，在临床症状出现之前就监测到病变的 产生，从而实现疾病的早期预警和治疗，提高疾病的治疗效果。因此，1999年美国哈佛大学Weissleder等提出了 分子影像学(Molecular Imaging)的概念：应用影像学方法，对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定 性和定量研究。

分子影像学概论PPT

分子影像学概论PPT
• 同时医学影像技术经历了:结构成像、功能成像 和分子影像三个阶段的发阶段逐渐成熟起来。
• 在此基础上形成以分子生物学与不断创新的现 代医学影像技术相结合在分子及基因水平诊断 和指导疾病治疗的模式-----分子影像学。
4
5
分子影像学早期定义为应用影像学方法在细胞和分子水平对活体内状态下 的生物过程进行定性及定量研究。
疗 “The right patient, right time, the right treatment”
68
Example 1
• Recurrent sternal lesion • ER+ primary • Recurrent Dz strongly FES+
Example 2
• Newly Dx’d met breast CA
6
最新定义
• 随着对分子影像学认识的不断发展，认为 分子影像学是在分子水平上进行无损伤的 实时成像，了解体内特异性基因或蛋白质 表达的部位、水平、分布及持续时间的新 兴交叉学科，能直接或间接监控和记录分 子或细胞事件的时间和空间分布。
7
8
医学影像技术发展
9
19-20世纪
10
20世纪90年代
内分泌治疗
监测疗效 提高氧含量 多药耐药
67
个体化医疗
乳腺癌
精准医疗
分 子
ER/PR
分 型
原发+ 转移+
原发+ 转移-
HER2+
EGFR
ER- PRHER2-
(triple negative breast cancer, TNBC)
诊 疗
内策
精
准 治
合适病人？合适时间？合适方法？

分子影像介绍课件ppt课件

分子影像介绍课件ppt课件
南京军区 中山大学 总医院 肿瘤研究所
军事医学 航天员训练 科学院 研究中心
北京 多模态分子 四军大 肿瘤医院 影像系统 西京医院
北京大学 汕大医学院 医学部 附属肿瘤医院
与国内多家高校和科研院所合作在肿瘤
研究和药物研发领域进行了小动物实验
-
7
生物实验－－分子马达加速溶栓研究
中科院生
物物理研究所
对
右图为样品在裸鼠皮下和脏器的成
像效果实验。从图中可以清晰看到
量子点在皮下的扩散。
-
量 子 点 在 皮 下 实验组1 和 脏 器 的 成 像
实验组2
对照组1
9
对照组2
生物实验－－肝癌肿瘤细胞着位点和转移兆研究
HCC-LM3肝癌肿瘤细胞着 位点的探测
接种方式：尾静脉 成像时间：接种后15分钟 接种细胞数：1*106
中科恺盛分子影像 介绍
多模态小动物可见光成像系统
-
1
多模态分子影像系统
多模态分子影像系统
理论基础
技术实现
重要应用
1 成像理论与
方法
2 成像系统与
方法
3 肿瘤研究 药物研发
光传输模型及体内 光源重建问题 图像分割 图像重建与可视化
授权10项发明专利 发表论文300余篇
多光谱三维成像数 据采集 自发与激发荧光分 子成像装置 多模态融合技术
Day 0 Day 2 Day 6 Day 9 Day 13
ADU
左侧接种细胞1×106个 右侧接种细胞5×105个
生物实验－－肝癌肿瘤模式动物建立
广州市医药工业研究所
将荧光素酶标记的HepG2肝 癌细胞接种于裸鼠皮下进行 发光检测
荧光素酶标记

分子影像学与分子影像技术第一讲小动物在体成像与分子影像

分子影像学与分子影像技术第一讲小动物在体成像与分子影像

分子影像学与分子影像技术 第一讲 小动物在体成像与分子影像中科院自动化所医学影像研究室主要内容 一、医学影像技术与分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结医学影像技术的发展 „ 结构成像„ X-ray „ CT 成像 „ MRI成像 „ 超声成像„ 功能成像„ fMRI 功能核磁共振成像 „ PET正电子断层成像 „ SPECT单光子发射断层成像„ 分子影像„ 光学成像 „ 磁共振波谱成像 „ 核素成像19--20世纪 看到病变■ 结构成像 ▪ X-ray ▪ MRI成像 ▪ CT 成像 ▪ 超声成像20世纪90年代 看到功能■ 功能成像 ▪ fMRI 功能核磁共振成像 ▪ PET正电子断层成像 ▪ SPECT单光子发射断层成像121世纪以来 看到细胞、分子水平的变化■ 分子成像 ▪ 光学成像 ▪ 核磁共振成像 ▪ 核素成像实时、在体 特异性医学影像技术 信息技术分子影像学分子影像技术可以在 细胞、基因和分子水 平上实现生物体内部 生理或病理过程的无 创实时动态在体成像 ，从而为疾病病程的 在体监测、基因治疗 的在体示踪、药物在 体疗效评测、功能分 子的在体活动规律研 究提供了新的技术平 台。

分子生物学分子影像学临床医学化学物理学新兴交叉学科国内外研究现状和发展趋势„分子影像学面临的挑战性问题„ „ „„ „ „„2002年，Science的十大突破之一：基于成像测量（包括 光学成像）的分子与细胞事件动力学过程的可视化研究 近年来，Nature杂志刊载了分子影像学方面的系列文章 2002年，美国国立卫生研究院路线图NIH Roadmap 2000-2002年，美国国家科学基金委NSF发布了四次 Biophotonics Partnership Initiative （生物光子学合作伙伴 计划）招标指南 2002年10月我国召开了以分子影像为议题的香山会议分子探针技术 成像技术 数据分析与处理（信息技术）分子探针技术 数据分析与处理 成像技术分子探针和靶分子分子探针 从体外注入到体内的分子参与体内生理活 动，并且探查人体内部的某种特定分子，因 此称为分子探针。

分子影像学

分子影像学

分子影像学(molecular imaging)是运用影像学手段显示组织水平、细胞和亚细胞水平的特定分子，反映活体状态下分子水平变化，对其生物学行为在影像方面进行定性和定量研究的科学。

因此，分子影像学是将分子生物学技术和现代医学影像学相结合的产物，而经典的影像诊断(X线、CT、MR、超声等)主要显示的是一些分子改变的终效应，具有解剖学改变的疾病;而分子影像学通过发展新的工具、试剂及方法，探查疾病过程中细胞和分子水平的异常，在尚无解剖改变的疾病前检出异常，为探索疾病的发生、发展和转归，评价药物的疗效中，起到连接分子生物学与临床医学之间的桥梁作用。

影像医学发展逐渐形成了3个主要的阵营:经典医学影像学:以X线、CT、MR、超声成像等为主，显示人体解剖结构和生理功能;以介入放射学为主体的治疗学阵营;分子影像学:以MR、PET、光学成像及小动物成像设备等为主，可用于分子水平成像传统影像学主要依赖非特异性的成像手段进行疾病的检查，如不同组织的物理学特性(如组织的吸收、散射、质子密度等)的不同，或者从生理学角度(如血流速度的变化)来鉴定疾病，显示的是分子改变的终效应，不能显示分子改变和疾病的关系。

因此，只有当机体发生明显的病理或解剖结构的改变时才能发现异常。

虽然图像分辨率不断提高，但是若此时发现疾病，已然错过了治疗的最佳时机。

然而，在特异性分子探针的帮助下，分子影像偏重于疾病的基础变化、基因分子水平的异常，而不是基因分子改变的最终效应，不仅可以提高临床诊治疾病的水平，更重要的是有望在分子水平发现疾病，真正达到早期诊断。

分子影像学不再是一个单一的技术变革，而是各种技术的一次整合，它对现代和未来医学模式可能会产生革命性的影响。

分子影像学的优势，可以概括为三点:其一，分子影像技术可将基因表达、生物信号传递等复杂的过程变成直观的图像，使人们能更好地在分子细胞水平上了解疾病的发生机制及特征;其二，能够发现疾病早期的分子细胞变异及病理改变过程;其三，可在活体上连续观察药物或基因治疗的机理和效果。

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分子影像学与分子影像技术 第一讲 小动物在体成像与分子影像中科院自动化所医学影像研究室主要内容 一、医学影像技术与分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结医学影像技术的发展 „ 结构成像„ X-ray „ CT 成像 „ MRI成像 „ 超声成像„ 功能成像„ fMRI 功能核磁共振成像 „ PET正电子断层成像 „ SPECT单光子发射断层成像„ 分子影像„ 光学成像 „ 磁共振波谱成像 „ 核素成像19--20世纪 看到病变■ 结构成像 ▪ X-ray ▪ MRI成像 ▪ CT 成像 ▪ 超声成像20世纪90年代 看到功能■ 功能成像 ▪ fMRI 功能核磁共振成像 ▪ PET正电子断层成像 ▪ SPECT单光子发射断层成像121世纪以来 看到细胞、分子水平的变化■ 分子成像 ▪ 光学成像 ▪ 核磁共振成像 ▪ 核素成像实时、在体 特异性医学影像技术 信息技术分子影像学分子影像技术可以在 细胞、基因和分子水 平上实现生物体内部 生理或病理过程的无 创实时动态在体成像 ，从而为疾病病程的 在体监测、基因治疗 的在体示踪、药物在 体疗效评测、功能分 子的在体活动规律研 究提供了新的技术平 台。

分子生物学分子影像学临床医学化学物理学新兴交叉学科国内外研究现状和发展趋势„分子影像学面临的挑战性问题„ „ „„ „ „„2002年，Science的十大突破之一：基于成像测量（包括 光学成像）的分子与细胞事件动力学过程的可视化研究 近年来，Nature杂志刊载了分子影像学方面的系列文章 2002年，美国国立卫生研究院路线图NIH Roadmap 2000-2002年，美国国家科学基金委NSF发布了四次 Biophotonics Partnership Initiative （生物光子学合作伙伴 计划）招标指南 2002年10月我国召开了以分子影像为议题的香山会议分子探针技术 成像技术 数据分析与处理（信息技术）分子探针技术 数据分析与处理 成像技术分子探针和靶分子分子探针 从体外注入到体内的分子参与体内生理活 动，并且探查人体内部的某种特定分子，因 此称为分子探针。

生物大分子 „ 靶分子 体内某种特定的分子，是需要探查和成像 的分子，称为靶分子。

„ „分子探针的特点纯度高，不含杂质； „ 对人体无害，没有副作用； „ 具有良好的生理功能，能参与人体正常的 生理活动； „ 能够克服人体内部的“生理屏障”，顺利到达 靶分子所在的器官； „ 示踪剂、分子探针和靶分子应该紧密结 合，不能脱落。

2标记分子（示踪剂）的特点示踪剂的类型 根据探测装置的不同可分为：放射性核素 标记和光学标记等。

„ 能够牢固标记在分子探针上； „ 发射出的射线应该具有合适的能量，被生 物组织外的探测器接收到； „ 示踪剂随生物体的生理活动而发生能量的 衰减，其周期要适于探测器的探测。

„分子影像设备按探测方式的不同，分子影像设备可以分为 以下三种： „ 核素成像 PET（正电子发射成像） SPECT（单光子发射断层成像） „ 光学成像 „ 磁共振波谱成像（功能性核磁共振成像）成像方法的对比使用方便 Easy to UseUltrasound Optical Imaging成像方法的对比CT ComplicatedMRIPET/SPET使用复杂 看到结构 Physical Structure 看到功能 看到分子水平的影像 Functional Imaging成像方法的对比(续)„光学成像技术的特点评价成像技术的重要参数¾对比度及其产生机制 ¾时间分辨率 ¾空间分辨率 ¾测量范围 ¾对被测对象的友好性与价格3光学成像技术的特点(续)„主要内容„ „ „ „在肿瘤和良性/正常疾患之间有高的软组织 对比度。

成像对比度直接与生物分子相 关，适于重要疾病的基因表达、生理过程 的在体成像 高时间/空间分辨率 对分子和细胞层次的在体成像有较大优势 价格适中 尽管其测量范围与测量深度有限，但适于 小鼠或其它小动物的整体在体成像一、分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台 四、总结小动物在体成像—简介MRI唯一能真正检测动物体内发光的方法波长10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 (m)频率1022 1021 1020 1019101810171016 101510141013101210111010109108 (hz)Autoradiography SPECT PETCT/X-RayBioluminescenceFluorescence小动物在体成像—简介（续）„„通常采用生物发光物质 如：萤火虫的荧光素酶或 荧光蛋白质等的细胞活体 成像技术，它可以很好地 实现生物体的活体研究及 基因表达 通过研究光在生物组织中 的传播模型证明：如果生 物体内发光细胞的数目有 几百个，便能探测到皮下 组织；如果有106个发光细 胞，就可以探测到2cm深度 的组织。

将发光基因转移到细胞染色体 内使发光酶能持续得到表达4小动物在体成像—简介（续）„小动物在体成像—系统模型y„通常用的光线探测装 Mirror 置是光电倍增器和 CCD（电荷耦合装 Projector 置）。

对小老鼠等实验小动 物进行发光细胞的追 Mirror 踪研究，在许多研究 领域，如：制药学、 转基因表达、传染病 的活体监测、肿瘤的 扩散与转移等，有重 Structured light 要的实践意义和应用 Projection cone 前景。

在体光学成像系统可以探测动物体内部发射出的近红外光小动物在体成像—实例小动物在体成像—实例生物发光成像用于追踪肿瘤发育和转移性疾病的进行。

图为 乳腺癌细胞注射到小鼠尾静脉后14周后的图像。

肺和身体下 部器官发生了转移。

这些肿瘤很小，其他手段无法探测到。

a）在可见光范围内（400-600nm），荧光成像可探测到绿色荧光蛋白 GFP在右侧肿瘤有表达，在左侧肿瘤没有表达 b）用光子计数照相机，对荧光素腹膜内注射后双边胸腔肿瘤表达转基因 的荧光素酶进行成像。

左侧肿瘤相对于右侧表达的荧光素酶水平较高， 分别为红、蓝显示 c）近红外NIR荧光成像（700-900nm）可对更深的肿瘤进行成像。

双侧 植入乳腺癌细胞后，金属蛋白酶2的表达小动物在体成像—实例主要内容一、分子影像 二、小动物在体成像 三、小动物在体成像仿真平台A）白光图像 B）原始的近红外荧光图像，途中亮点为胸腔内的肿瘤 C）胸腔壁肿瘤2mm高分辨率的荧光图像 D）腿部肿瘤（<0.3mm）的高分辨率荧光图像四、总结5仿真平台—项目来源„ „ „ „仿真平台—项目来源和美国爱荷华大学的国际合作项目 美国NIH资助 项目负责人：王革教授 /ge/C TL.html仿真平台—项目来源仿真平台—项目组成最终目的：Development and Integration Bioluminescent CT正向问题„正向问题的三个方面„输入光源的位置、能量、性质 光源的密度分布函数 生物组织的光学特性参数 生物组织模型的建立（由building blocks组成的几何 仿真模型、真实生物组织环境的建立） – 探测器的参数 – – – –光子的产生– 光子的初始位置 – 光子的初始传输方向 – 光子的初始能量„光子在生物组织中的传输– – – – 光子传输步长 光子的散射、吸收 光子在生物组织边界上发生的光学行为 光子传输的终止„输出– 探测器的信号 – 其它的物理参量„光子被探测器接收6流程图Start Last Photon? N Photon Generation Y End光子输运问题的算法研究小动物在体荧光成像正向问题的数学模型是粒子的输运 方程，在强散射性的生物组织中可近似为漫射方程。

„漫射方程Select Step SizeMove Photon Y Internally Reflected? N N Photon In Tissue? Y Update Photon Weight Update Transmission Weight Too Small? Y Photon Intercepted by Camera Survive Roulette? N Change Photon Direction1 ∂Φ ( r , t ) + µ aΦ ( r, t ) − D∇ 2Φ ( r , t ) = S ( r , t ) c ∂tΦ ( r, t ) 是在点r处t时刻的平均漫射强度D= 1 3( µ a + (1 − g ) µ s )是与位置相关的光子扩散系数„解析解、数值解（MonteCarlo、有限差分、有限元）NY仿真平台—光子传输„random media (tissue)Monte Carlo 概率分布函数 (pdf)– 光子传输过程的数学描述„Absorption Incident light Diffuse reflectance “Snake” component Ballistic component Diffuse transmittance随机数产生器– 产生[0,1]间的随机数„ „ „随机采样的规则– 物理量的随机采样值结果的统计– 统计多个光子在组织中随机走动得到的结果误差分析 „ 减小方差技术随机采样的原理随机采样的原理∫ p( x )dx = ξaxξ ∈ (0,1)„„p(x)是随机变量x的概率密度分布函数，x的 取值范围为[a,b] x可以是光子在组织内部传输的步长；或光子 由于散射而产生的角度偏转等 ξ由计算机内部的伪随机数产生器生成，在 [0,1]服从均匀分布 阴影部分面积相同7光子传输步长− µ t ds I = I 0e ∫光子的吸收„ „„根据Beer’s Law和Monte Carlo方法，经直接抽 样可以得到光子在生物组织中的传输步长：∆s =− ln ξµt=− ln ξ µa + µs光子初始能量是已知的，为了方便，将光子的 初始能量用初始权重w=1； 光子在生物组织中每到达一个新位置，一部分 能量会被吸收，光子的权重会相应减少：fractionabsorbed = ∆w =„然后计算得到光子和生物组织下一个相互作用 点的位置：' ⎧ ⎪ x = x + µ x∆s ⎨ ' y ⎪ ⎩ = y + µ y ∆sµa + µsµa= 1−µa + µsµsalbedo= 1−αA _ xy (i x , i y ) = A _ xy (i x , i y ) + ∆ww ' = αw光子的散射„ „ „光子的散射„另一部分能量会被散射，使光子的传输方 向发生变化 光子的传输方向由方位角φ(0< φ<2π)和偏 转角θ(0<θ< π)来描述 方位角φ服从[0, 2π]的均匀分布，由Monte Carlo方法抽样得到：当散射是各向异性时，偏转角θ的余弦由 Henyey-Greenstein相位函数描述，经直接 抽样得到随机采样值：cos θ = ⎫ 1 ⎧ 1− g2 2 ]2 ⎬ ⎨1 + g − [ 2g ⎩ 1 − g + 2 gξ ⎭φ ＝ 2 πξ„当散射是各向同性时，偏转角θ的余弦服从 均匀分布，经直接抽样得到随机采样值：cos θ = 2 ξ − 1光子的边界效应„光子传输的终止„光子运行到组织边界时会发生多种光学行为： 内反射、透射、吸收等，根据光子入射角、边 界处的法线方向和相邻组织的光学特性参数， 可以计算光子发生了哪种光学行为。