光学分子影像学第一讲

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。

光学的相关基础知识1. 光的电磁波谱光是一种可以引起视觉、具有波粒二象性的电磁波，既有波动性，又具有粒子性。

整个电磁波谱按波长可分一下几段(表1)：只有波长范围很窄的一段才能引起视觉，称为光(可见光)，其中，红光波长最长，范围为620~760 nm，紫光最短，范围为400~430 nm。

2. 光的传播特性光在同一均匀介质中是沿直线传播的，而在非均匀介质中传播方向要发生改变。

光子在生物组织内的传输过程中，会受到吸收和散射的影响。

当与光子频率相关的能量与在组织内过渡态的能量相匹配时，这些光子的能量就被吸收，而总光子的能量就减少了。

当光射入到组织的原子上面时会发生散射，这就导致原子的电荷加速并向不同方向放射，因而导致光偏离最初的路线。

因此，光波在组织内穿过时，要同时经历吸收和散射，且吸收和散射程度依赖于波长和穿透深度。

3. 荧光在日常生活中，人们通常广义地把各种微弱的光亮都称为荧光，而不去仔细追究和区分其发光原理。

事实上，荧光是指这样一种发光，当一个分子或原子吸收了给予的能量后，即刻引起发光，停止能量供给，发光亦瞬间停止(持续10-8~10-7s)。

所以，当一定波长的光照射到荧光物质上时，会激发出波长更长的荧光，产生的荧光波长要比激发光波长长50~150 nm。

而用特定波长的红光激发荧光染料，就可使其发出波长长于激发光的近红外荧光。

如果把荧光分子与人体内与生理功能有关的蛋白或生物大分子结合，在体外激发荧光，并检测荧光信号，就能对人体进行分子水平的研究，这种荧光分子被称作荧光探针(Fluorescent Probe)，其基因为荧光分子基因，也就是光学分子成像的报告基因。

为了能在体检测人体组织内的信息，荧光必须能穿透几厘米以上厚的组织。

但是，光波在生物组织内传输时会同时受到吸收和散射的影响而产生衰减，因此有些学者对波长在近红外区域内的荧光更感兴趣，因为人体对近红外波段的光衰减最小，这样达到体表可被检测到的荧光信号强度较大，检测的难度降低，有利于定量研究。

光学影像知识点总结一、光学影像的基本原理光学影像是利用光的透射、反射和折射等现象，通过透镜、反射镜等光学器件对光进行调控，使得光能够在感光体上产生影像。

光学影像的基本原理包括以下几个方面：1.1 光的传播和干涉光是一种电磁波，在空气、水、玻璃等介质中的传播会发生折射现象，同时在两条光线相交的地方会发生干涉现象。

这些现象是光学影像产生的基础。

1.2 透镜的作用原理透镜是光学影像中最基本的光学器件之一，主要有凸透镜和凹透镜两种。

凸透镜可以使平行入射的光线在焦点处聚焦，而凹透镜则会使平行入射的光线发散。

透镜的作用原理是基于光的折射定律，通过透镜的调节能够控制光线的聚焦和散射。

1.3 相机的成像原理相机是光学影像中用于捕捉影像的设备，其成像原理主要包括光的透射、聚焦以及感光材料的作用。

通过透镜的调节，能够让光线在感光材料上形成清晰的影像。

1.4 光学影像的分辨率分辨率是用来描述影像清晰度的指标，它取决于感光材料的性能以及光学系统的调节。

在数字相机中，分辨率还包括了影像的像素数，它决定了影像的细节和清晰度。

1.5 光学影像的失真和修正在光学影像中会出现各种失真现象，如透视失真、径向失真等。

这些失真可以通过透镜的设计和调节来进行修正，从而得到清晰、真实的影像。

以上是光学影像的基本原理，了解这些原理对于理解光学影像的形成和特性具有重要意义。

二、光学影像的应用领域光学影像在生活和科技领域有着广泛的应用，其中包括摄影、医学影像、卫星遥感等多个领域。

2.1 摄影摄影是最常见的光学影像应用，通过相机可以捕捉静态或动态的影像。

摄影在旅游、纪实、广告等领域有着重要的应用价值，同时也是一门艺术。

2.2 医学影像医学影像是通过X射线、CT、MRI等设备来观察人体内部结构的一种技术。

这些影像能够帮助医生诊断疾病、指导手术，并且在医学研究中也有着重要的作用。

2.3 卫星遥感卫星遥感是利用卫星携带的摄像机来观测地球表面的技术，它可以用来监测气象、地貌、环境等变化，对于资源管理、环境保护等方面有着重要意义。

¯综述Optical molecular imaging and its applicationSH I Li 2xing 1,2,ZHANG J i 2wu 1,2*(1.School of Lif e Science a nd Technolog y,Sha ngha i J ia o Tong U niver sity ,S ha ng ha i 200240,China ;2.Car estr ea m H ealth Globa l R&D Center ,S hanghai 201206,China )[Abstract] Optical molecular imaging is a r apidly developing biomedical imaging technology that enables the examination of cellular and molecular pr ocesses in vivo by bioluminescence or fluor escent pr oteins or f luor escent dyes 1I t has some advanta 2ges compar ed with MR and radionuclide imaging,etc,such as noninvasiveness,high sensit ivity,low cost and strong pene 2t ration of near infrar ed (NI R)fluorochr ome 1Optical contr ast agent has been developing very fast,especially on nanopar ti 2cle,nanoshells and quantum dots 1Pr obes labeled with near infr ared emitting fluorochr omes have the addit ional potential to translate to human clinical use 1In this r eview,the cur rent moda lities of optical molecular imaging and its applications in biol 2ogy,medicine and phar macy were presented 1[Key wor ds] Optical molecular imaging;Biology;M edicine;Pharmacy光学分子影像学及其应用石立兴1,2综述,张继武1,2*审校(1.上海交通大学生命科学技术学院,上海 200240;2.Carestr eam Health 全球研发中心,上海 201206)[摘 要] 光学分子影像学是一种快速发展的生物医学影像技术,它可以利用生物自发光或荧光蛋白或荧光染料,在分子和细胞层面上对在体的特定生物过程进行定性和定量研究。