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分子影像学赏析八篇

时间:2022-03-31 10:04:57

分子影像学

分子影像学第1篇

关键词:MRI;子宫肌瘤;影像学;诊断

子宫肌瘤又称子宫平滑肌瘤,是女性生殖系统最常见的良性肿瘤。MRI具有组织分辨率高及多方位成像的特点,能清楚显示肌瘤的位置、大小及与周围结构关系,是发现和诊断子宫肌瘤的最敏感方法。现对我院2007年2月至2011年1月经手术病理证实的39例子宫肌瘤的低场MRI影像学表现作回顾性分析,总结报告如下:

1资料与方法

1.1临床资料

本组39例行盆腔MR检查的子宫肌瘤女性患者,年龄23~56岁,平均41.2岁。临床表现以月经量增多、周期紊乱、下腹痛和腹部包块为主。4例无症状者系查体发现。

1.2 MRI检查方法

所有患者均于手术前行MRI检查,采用日立MRP-7000AD永磁型0.3T磁共振成像仪,行横轴位自旋回波序列(SE)T1WI(TR/TE=550 ms/25 ms)、横轴位快速自旋回波序列(FSE)T2WI(TR/TE=3700 ms/117 ms)、矢状位T1WI或T2WI、冠状位T1WI或T2WI,层厚5~8 mm,间隔1~2 mm。

2结果

2.1子宫肌瘤分型

本组39例患者共检出55个病灶,其中单发子宫肌瘤26例,多发13例。子宫肌瘤瘤体呈圆形或椭圆形,最大直径约10.6cm,最小直径约1.2cm,平均(4±0.8)cm。其中,壁间型20例,浆膜下型14例,黏膜下型5例。

2.2子宫肌瘤MRI影像特征

本组39例中,T1WI上表现为等或低信号,在T2WI上表现为低或混杂信号。55个病灶中,所有病灶T1WI上均表现为等低信号,T2W I呈均匀低信号37个,混杂高信号14个,高信号4个。瘤体周围在T2W I上见高信号或等信号带。全部55个病灶中,瘤体周围见高信号36个,19个未见异常信号带。除4个病灶较小、边界不清外,其余病灶边界清晰。

3讨论

子宫肌瘤多见于30~50岁妇女,30岁以上妇女子宫肌瘤的发病率高达20%~30%[1],是导致子宫切除的主要原因之一。子宫肌瘤由异常增生的平滑肌组织和不等量的纤维结缔组织构成,瘤体周围肌组织受压形成分布有放射状血管的假包膜,由于瘤壁缺乏外膜,假包膜受压易引起循环障碍而使肌瘤发生玻璃样变性、黏液样变性、囊性变、红色变性、脂肪变性、钙化及肉瘤样变等各种退行性变[2]。因此,准确评价肌瘤病理类型可为临床选择最佳治疗方案提供依据。

与传统的超声诊断方法相比,MRI在定位及定性诊断子宫肌瘤方面更具优势。肌瘤典型者在平扫MRI T1WI上表现为等或略低信号,T2WI上呈均匀低信号,尤其在T2WI上病灶信号与子宫肌层及宫腔黏液信号有很大的反差[3]。一般认为,此信号特点与肌瘤内细胞排列紧凑,其间缺乏足够空间储存液体和黏蛋白以及胶原纤维较多有关。本组子宫肌瘤在T1WI上55个(100%)病灶,T2W I上37个(67.3%)病灶具有上述信号表现。如肌瘤较大会出现变性,主要为玻璃样变和出血变性,肌瘤玻璃样变使其含自由水量增高,在T2W I呈高信号,可能与肿瘤大小、细胞成分有一定的关系[4]。当肌瘤内出血在TIW I、T2W I可表现为不均匀低到高信号影,多认为因供血血管堵塞引起[5]。瘤周于T2WI上呈高信号带或等信号带[4],本组55个病灶中,有36个病灶(65.5%)周围呈高信号带,19个病灶(34.5%)周围呈等信号带。总之,MRI具有组织分辨率高、多方位成像及无损伤的特点,对子宫肌瘤具有特征性信号,能清楚显示肌瘤的位置、大小及与周围的关系,对子宫肌瘤的诊断具有重要的应用价值。

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分子影像学第2篇

分子影像学是医学影像技术和分子生物学相结合的学科,利用现有的一些医学影像技术,如核医学(PET)、核磁共振(MRI)和光学成像方法(OCT),对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤的、实时的成像,对神经胶质瘤的诊断和治疗是分子影像学研究的一大方面,全文就分子影像学的原理及技术、分子影像学在胶质瘤诊疗中的应用加以综述。

【关键词】 分子影像学 肿瘤 胶质瘤

Abstract: Molecular imaging is a combination of medical imaging technique and molecular biology. It is a noninvasive and real?鄄time imaging on molecule level of the physiological and pathological process inside the human body by using advanced imaging technique, such as positron emission tomography(PET),magnetic resonance imaging(MRI) and optical coherence tomography(OCT). The application to the diagnosis and treatment for gliomas is one of the most important aspects that molecular imaging concerned. In this article, the principle and the technique of molecular imaging, the applications of molecular imaging to the diagnosis and treatment for gliomas are reviewed.

Key words: molecular imaging; neoplasms; glioma

Lenin在20世纪早期曾断言[1]:人们只有打破鸡蛋才能做煎蛋卷,同样,人类医学史上,以前人们也认为只有打开人体取出组织才能探测到人体内部的微观变化,然而这样的时代已经过去了。近几十年来,医学影像技术得到了长足的发展,随着影像设备的不断改进,一些显示系统已经达到了微观水平,这些技术上的进步,就使以前的分子离体显示形成现在的分子在体显像,即分子影像学。分子影像学是医学影像技术和分子生物学相结合的新学科,分子影像技术是利用现有的一些医学影像技术,主要是核医学(positron emission tomography,PET),核磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)和光学成像方法(optical coherence tomography,OCT),对人体内部生理或病理过程在分子水平上进行无损伤的、实时的成像。这一技术不同于经典的影像学,它是应用探针探测分子的异常,而不是获取分子改变的结局。正因为它是探测分子事件的过程,而不是结果,所以分子影像有助于了解人体目前分子生物学技术正在研究的疾病发生的启动阶段、前期发病过程中的各阶段的及疾病形成的分子表达,同时也可以在分子水平了解各种治疗的反应,进而有助于认识疾病机制,提高诊治水平。

分子影像技术有三个关键因素,第一是高特异性的分子探针,第二是合适的信号放大技术,第三就是能灵敏地获得高分辨力图像的探测系统。

1 分子影像技术的探测方法

分子影像技术主要的探测方法有三种:核探测方法,核磁共振方法和光学方法。这些方法在探测灵敏度、空间分辨率、时间分辨率等性能方面各有优缺点,应视需要解决的问题来选择。

1.1 核医学成像技术

核医学成像技术是目前分子成像中最为活跃的部分,主要包括PET、SPECT(single photon emission computed tomography)、Plannar成像。其中PET目前应用最广,基本原理是在体内引入一种直接或间接参与体内生化过程的放射性示踪剂,并用PET等仪器在体外加以显像,PET常用的放射性示踪剂有11C、13N、15O和18F等。该种成像技术广泛应用于肿瘤学、神经病学、精神病学、心脏病学和基因学的临床基础研究。在肿瘤的诊断和治疗过程中,需要标记的生化分子必然是某种肿瘤具有特异性显像能力的物质分子,这种分子或者和基因组中的某个功能团或者与基因片段的配体具有特殊的亲和力。通过放射性核素标记过的生化物质在人体内的分布,用模型的方法对这种分布进行解释,用统计学的方法进行进一步分析,有可能得到对肿瘤诊断和治疗有用的信息和规律。

1.2 MRI分子成像技术

用MRI对基因表达和成像的主要优点是其空间分辨率高于PET,且能同时获取生理与解剖信息,而有望在基因表达及分子成像中发挥重要作用,现有的磁共振分子影像技术主要包括功能磁共振(functional MRI,fMRI)和核磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy,MRS)。其中fMRI包括灌注成像、扩散成像、局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性对比度成像(blood oxygen level depended functional imaging,BOLD)等[2]。

1.3 光学成像技术

体内基因表达的光学成像方法,包括荧光、光吸引、反射或利用生物发光作为对比剂,成像系统可基于弥散的光学图,以表面为主的光学成像、相控矩阵光检测、同焦点成像、多光子成像、活体内显微镜下显微成像等。

分子影像技术在疾病早期诊断和治疗以及研究疾病发生和发展的生物学特性方面有重要作用。恶性肿瘤是临床医学研究中的热点,肿瘤影像学是现代肿瘤研究中的核心技术之一,同时被认为是现代六个重大科学机遇之一[3]。在肿瘤影像学的研究中,充分地展示了多学科交叉的优势,核药学、核生物学、影像物理学、放射光学、光电子学等。目前分子影像技术在脑胶质瘤的诊断和治疗中研究较多。

2 分子影像技术在胶质瘤诊断中的应用

分子诊断学是建立在分子探针和体内靶(如酶、受体、mRNA messenger ribonucleic acid分子代谢物等)物质的特异性结合的基础上,使用灵敏度很高的测量系统,从而可以在探针分子的浓度比较低的情况下实现对疾病的检测,并在不改变检测过程的情况下得出被检测人员是否有病或者是否具有某种癌前病变的前期征兆[4]。目前能够用于分子成像的技术是正电子发射断层成像(PET)为代表的核素成像、功能磁共振成像(fMRI)、核磁共振波谱成像(MRS)和某些光学成像(optical imaging,OI),这些成像手段可以对人体组织的生物或病理过程在分子水平上,进行无创的静态的或实时初态的成像。

目前,分子、功能和基因配体成像在肿瘤诊断中的应用主要体现在三个层次上。第一个层次是基于某些肿瘤的形成机制和遗传有关的事实,通过分析基因序列和肿瘤标志蛋白质,找出易感人群,开展针对易感人群的预防肿瘤医学。第二个层次是根据分子和基因配体成像可以检测肿瘤早期疾病的癌前分子改变、基因变化、肿瘤细胞标志物、生长动力学等参数,检测那些刚刚形成实体的肿瘤,为及时治疗提供依据。第三个层次是用分子和基因配体成像技术,解决当前临床诊疗中的问题。例如改进目前在临床上大量存在诊断信息单一,不能确定良恶性、分期和预后不准确等问题,进一步提高诊断的准确率。这三个层次形成了肿瘤影像诊断学当前需要解决的基础和应用研究方面的问题。

2.1 基因配体和分子成像

这是在第一层次也是在最高层次上实现对肿瘤早期预防预测工作。因为人体的病变首先开始于基因调控的生物大分子紊乱,长期的紊乱会造成生理参数的变化,生物参数的变化引起脏器的器质性变化。所以基因配体和分子水平的病变是所有疾病的源头。

p53基因是人体内在肿瘤的发生中起着重要作用的抑癌基因,在正常情况下,p53基因是保护正常细胞不受外来侵袭的,但是突变后的p53基因不仅丧失了抑癌的作用,反而成了致癌的因素。在许多病人的很多种肿瘤中已经被证实[5], p53基本突变是肿瘤最为常见的遗传变异。然而对p53基因还有很多问题没有搞清楚。只有在动物实验的基础上,用无创伤的人体成像方法对这些问题进行非常系统的深入研究之后,才能逐步把其中的规律搞清楚。

Parletich等[6]用X?鄄ray衍射方法测量得到p53基因和DNA连接的结构图,他们发现突变可能发生在p53基因和DNA相互作用时的6个活性物质处,也可以以结构断裂的方式发生突变。这种结构表明p53和DNA之间的特殊序列的结合方式是p53基因能够起到抑癌作用的核心问题。

从预防的角度看,很多种类的癌症具有遗传因素,因此通过对基因的分析可以帮助确定肿瘤的易感人群。对这类人群,一旦通过蛋白质生物芯片技术,结合细胞水平高倍显微镜下观测癌症易感人群获得足够的知识,进行早期检查是完全可能的。这些易感病人可以因为生活状况,环境的改善,原来的早期病变消失,所以对这些易感人群进行预防辅导,包括心理辅导、饮食习惯和生活习惯的辅导,采取经常进行体检的技术措施以及根据家族史对重点部位进行及时体检,可以使这部分人群不发生癌症或者发生癌症之后及时得到处理。

2.2 胶质瘤的早期诊断

肿瘤的亚临床病灶是指人体内存在的癌细胞团容量小于目前医学影像设备在临床上能够达到的空间分辨率,因而不能在临床上检测出来。国际上公认的看法是:实体部分直径小于4mm的肿瘤被认为还没有“生根”,也就是说其血管还没有完全生长,和人体的正常组织的联系还比较弱,是容易治疗的癌症,被称为肿瘤亚临床病灶。我们目前所说的早期诊断是指那些癌组织的实体在10mm以下水平的临床病灶[7]。

解决胶质瘤的早期诊断问题,主要的成像工具是PET,因为PET的本征空间分辨率已经达到2mm~3mm的水平,而且PET使用的放射性核素包括11C、13N、15O及18F,由这些放射性核素标记的化合物非常多,从而为分子和基因配体成像提供了机会。在所有示踪剂中,2'?鄄脱氧?鄄18F?鄄葡萄糖(18F?鄄FDG)临床上使用最广泛。对头部肿瘤进行研究的生物学根据是肿瘤对18F?鄄FDG摄取率的增加[2]。葡萄糖摄取率对正在癌变的细胞相当敏感,这类癌细胞的葡萄糖摄取率增加的幅度相当大[8],但在实际操作上,企图直接从18F?鄄脱氧葡萄糖PET图像中检测到病灶是不可能的。因为葡萄糖代谢是每个人都有的代谢,而且葡萄糖代谢的分布具有个体差异。因此采集大量的体检人员的PET图像,进行有针对性的处理和分析是必要的。除了蛋白质生物芯片检测技术以外,建立不同年龄段正常人群葡萄糖代谢的标准图谱也是一种必要的方法。

另一种方法是用药载动力学来分析经过放射性核素标记的药物在人体内分布,通过药载动力学参数的研究,可以把正常的代谢和异常的代谢区分开来,也可以实现对胶质瘤内部组织细胞活性的度量,并和统计学方法结合实现病理水平上的肿瘤组织分割,得到胶质瘤组织的不同边界,用这种方法确定胶质瘤的亚临床病灶的问题。

光学成像方法可以探测到体内基因表达。对组织蛋白酶B和H蛋白激酶的成像能发现直径1mm以下的肿瘤。

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2.3 分子影像技术在当前胶质瘤临床诊断中的应用

在PET成像中,示踪剂18F?鄄FDG在临床上使用最广泛,被证明是探测脑神经胶质瘤、对胶质瘤分级、预测预后、评价治疗效果及鉴别复发与坏死的有效工具。它可以进行参数成像,对人体内的生化过程或者肿瘤病理进行定量或半定量的分析[9,10],还可以根据大脑对葡萄糖的生物摄取清楚显示大脑的解剖结构[2,11]。11C标记的氨基酸在探测肿瘤残余组织方面比18F?鄄FDG优越[2]。11C标记的甲硫氨酸(MET)在高级别和低级别的神经胶质瘤中均能浓聚,其在划定肿瘤范围时具有比18F?鄄FDG更好的效果,特别是在鉴别低级别的胶质瘤时,肿瘤与周围正常组织的对比度比较高。MET的这一特点可用于放疗计划中划定治疗的外部边界。把18F?鄄FDG和MET结合起来预测胶质瘤的级别及预后是一种更好的方法。Bruno Kashten[12]等提出了一种对切除前的胶质瘤进行评价的定量计算方法:用T/MCU值的大小来衡量胶质瘤的级别,其中T代表肿瘤对示踪剂的摄取值,MCU表示大脑皮质对示踪剂的摄取值。当T/MCU?鄄F?鄄FDG≤0.8且T/MCU?鄄MET

fMRI可深入细胞、分子水平来评价胶质瘤功能性改变,包括扩散成像、灌注成像和局部血容积、局部脑血流和血氧水平依赖性(BOLD)对比度成像等。

扩散成像之弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)是利用组织中水分子弥散的各向异性探测组织微观结构成像方法。有研究发现DTI可清楚显示胶质瘤与白质纤维的关系,确定皮质脊髓束与肿瘤间的距离,可用于指导手术[13]。在脑胶质瘤的鉴别诊断上,Krabbe等[14]指出脑转移瘤增强部位的ADC值高于高级别的胶质瘤的瘤周水肿。

MR灌注成像定量、半定量分析毛细血管的血流灌注情况,反映生理与病理情况下组织的血液动力学改变,评估局部组织活力及功能,对肿瘤灌注值的分析可以帮助肿瘤的诊断与鉴别诊断。

MRS可以测定生物体内局部的特定分子的信号,具有很高的化学特异性,与18F?鄄FDG?鄄PET探测能量代谢率不同,MRS探测的是代谢产物,它是在分子代谢产物的水平上提供癌细胞活性的信息,许多1H谱技术表示脑胶质瘤肿瘤区与正常组织明显不同[15],表现为NAA(N?鄄acetyl aspartate)下降,Cho(choline?鄄containing compounds)上升,Cr(creamate)下降,NAA/Cho与Cho/Cr比值非常有助于鉴别高低级别的胶质瘤,NAA/Cho比值越低,表示肿瘤恶性程度越高,相反Cho/Cr比值与肿瘤的恶性程度呈正相关性。Law等[16]通过对肿瘤周围区的波谱研究发现,高级别胶质瘤肿瘤周围区的Cho/Cr值明显高于转移瘤周围区的相应值。

3 分子影像技术在胶质瘤治疗中的应用

3.1 基因治疗

基因治疗是将外源性正常的治疗性目的性基因用基因转移技术导入到靶细胞中,通过基因表达过程,使其表达产物起到对疾病的治疗作用。在基因治疗中需要及时监测目的基因的转染及表达情况。如果将目的基因和标记基因拼接起来,可以通过监测标记基因来判断目的基因的存在情况,在此理论基础上发展起来了影像标记基因技术。

有学者[17]对某种特殊的癌症进行临床初步试验的结果表明,利用有缺陷的E1B?鄄55KD型腺病毒和有缺陷的p53基因结合在肿瘤细胞中复制,有可能激活p53基因使得癌细胞自杀,从而达到治疗肿瘤的目的。单纯疱疹病毒Ⅰ型胸苷激酶(HSV?鄄TK)作为许多抗肿瘤基因治疗中的前体药物转化酶,HSV?鄄TK可以将低毒的药物转化成毒性化学物,导致肿瘤细胞的死亡[18~20]。通过核技术的基因表达成像说明了HSV?鄄TK的可行性。虽然至今许多实验尚未能进入临床应用,但设计在某类肿瘤中特异性表达的分子靶作为分子影像的靶点,是可以借鉴该类思路的。

3.2 化 疗

高分辨率的microPET的出现,为新药的研究和开发提供了一个新的技术平台,它能在同一活体动物上全程监测放射核素标记的新药在体内的变化,也可在任意时间间隔无创伤地重复研究。此举可大大提高新药研究的有效性和准确性,缩短新药研究的周期,减少新药研究的投入资金,故已引起了全球医药界的极大关注。

临床上肿瘤化疗的失败主要是由先天性和获得性肿瘤多药耐药(multidrug resistance,MDR)引起的。MDR现象的发生是因为动物和人类基因组中本身就存在着MDR基因,那些对化疗不敏感或疗效较差的肿瘤中往往有MDR基因的过度表达。MicroPET是研究体内功能性转运的有效技术,因此,在肿瘤细胞多药耐药的基础研究和多药耐药逆转成分的研究中,可发挥独到的作用。MDR显像在临床上有很大的用途:(1)诊断和定位MDR相关基因过度表达的肿瘤;(2)预测化疗的疗效;(3) 筛选MDR调节剂,确定MDR调节剂的用药剂量和抑制MDR作用的时间。目前用得最多的MDR显像剂是99mTC标记的脂溶性+1价阳离子,如99mTC?鄄MIBI、99mTC?鄄tetrofosmin。

3.3 放 疗

11C标记的甲硫氨酸在划定胶质瘤范围时具有很好的效果,它在肿瘤中的累积相对较高,而在正常脑实质中的累积相对较低,MET的这一特点可用于放疗计划中划定治疗的外部边界。另外用fMRI方法一次采集肿瘤及其周围组织尽可能多的参数,例如局部血容积、局部脑血流、BOLD等参数成像,并用氧灌注成像的方法进行氧增强的灌注成像,把这些结果和PET/SPECT的成像结果进行比较,对图像信息进行整合和系统分析,并把研究结果用一个生物学模型归纳到胶质瘤放疗的生物学模型,从而有效指导放疗计划。而对于脑胶质瘤外科手术切除后的残余肿瘤实行放疗中最大的问题是易复发,其中重要的一个原因是胶质瘤中存在有大量的乏氧细胞,这些乏氧细胞对射线不敏感。已有多个学者发现,对胶质瘤术后病人给予吸入高压氧后立即进行放疗能显著改善病人预后,延长存活时间[21,22]。

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分子影像学第3篇

关键词:西医影像学;未来医学;重要作用

【中图分类号】R49【文献标识码】B【文章编号】1674-7526(2012)06-0370-01

随着1895年伦琴发现率了X射线,影像学经历了超过100年的发展,形成强大的医疗诊断成像系统,这包括传统的X射线、计算机断层扫描(CT),磁共振成像(MRI),超声,核素扫描等。诊断成像逐渐通过组织和器官的解剖成像,分子和代谢显像发展。过去,西医影像学主要靠物理学、计算机学等手段,以细胞组织病理学为基础,而近年来,逐渐向分子影像学发展[1]。在未来的西医影像学的发展中,分子影像学将成为以后一段时间的发展趋势,更多的医务研究工作者对此研究,更多的应用于临床,对现代、未来的医学发展都将产生重要的作用。

1核磁共振成像的重要作用

核磁共振成像技术中,了解质子弛豫时间包括T1和T2,以及T1和T2各自所代表的临床意义。通过对比实际所测得的T1值和正常组织器官的T1值,就能判断出此组织器官是否出在病理条件下,通常情况下,处在病理条件下,T1值会延长,为鉴别同一组织器官的疾病,也可根据T1的延长时间判断,如肝肿瘤常在280~450ms,肝硬变常在180~300ms。核磁共振成像技术还可用于化疗、放疗等[2]。在不同的情况下,采用不同的成像原理,形成的成像效果也不一样。

2计算机断层扫描的重要作用

现代计算机扫描技术逐渐向高空间分辨率发展,全身断层扫描时间将进一步缩短,其对中枢神经系统疾病的诊断价值高,应用较为广泛,对颅内肿瘤、脑梗塞、脑出血等诊断效果较为可靠,也开始应用于心脏的超高速扫描。螺旋CT扫描,还能获得比较精细清晰的血管重建图像[3]。扫描更加能够清晰地看出其存在的现象以及病理等,能够更加准确的发现其中的病灶等等。

3超声的重要作用

超声的未来技术发展主要向自体内回声脉冲和换能器两方面改进,在改进中,希望可以得到较为清楚的图像,超声仍可用于鉴别病变组织的物理特性,可用于妇产科、泌尿、心血管等系统的诊断,近些年,随着多普勒系统的不断开发发展,对疾病的诊断准确率也是不断提高,未来将更好地在医学发展中发挥更大作用,造福人类[4]。从另外一个层面上认为,超声是新型技术,对于未来医学在病理治疗都非常有作用。

4分子影像学的重要作用

近年来分子影像学快速发展,是西医影像学中的一个重要分支,它是依靠分子生物学确认的分子成像的目标,依靠放射和生化合成分子探针,依靠药理技术来优化探针,以获得最佳的定位率,并通过影像学成像技术来观察其分布情况,具有灵敏度高、特异性高、图像分辨率也高的特点,通过分子水平对人体组织器官进一步观察,诊断更加准确[4]。

综上所述,无论是传统的一些影像学还是新型的分子影像学,都是为了适应现代西医影像学的快速发展,其中还包括X线、数字减影、血管造影等等,即可以作为一种医疗辅助手段应用于治疗和诊断,也可以仅需创新研究,为未来医学发展开辟新道路。为了要更适应现代、未来医学的发展,要坚持站在现代医学影像技术知识和快速发展的高度,深刻认识医学,先进生物技术与医学相结合,为西医影像学的发展提供保障;另外要培养现代西医影像学发展所需的医学工程技术人员,更加重视促进发展的基本学科,提高成像技术的专业训练水平,创新人才培养。传统的西医影像可提供疾病的一些共性规律,无法得到个性化信息,因而利用分子影像学可探测早期分子的该病,对患者进行早期治疗,一些有效的干预治疗,往往可以阻止或延缓疾病的发生。随着分子成像技术的发展,与西医影像学相结合,可在诊断疾病的同时进行治疗,又可加快一些药的研制,通过西医影像学的研究方法,建立高通量的分析影像系统,有助于药物的筛选。因而西医影像学,特别是其中分子影像学的应用前景相当广阔,在未来医学发展中将起着重要的作用,有着巨大的潜力。因此,成像对于西医而言,还是非常重要的,大力发展医学上的成像技术,对于未来医学也非常有意义。

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[3]肖研,吴亦洁,章文军等.磁共振成像造影剂的研究进展[J].分析化学,2011,39(5):757-764

分子影像学第4篇

关键词:传统X射线摄影、数字X射线摄影、X射线探测器

随着医疗卫生事业的发展,以胶片为显示、存储、传递为主要方式的传统X射线摄像技术已不能满足临床诊断和治疗发展的需求。医疗设备的数字化要求日益强烈,全数字化放射学、图像导引和远程放射医学将是放射医学影像发展的必然趋势。

一、传统医疗摄影成像技术与数字摄影成像技术

传统X射线摄影以胶片或感光屏为媒体,以二维成像方式,利用X射线的穿透作用、荧光效应和化学作用,使得穿过人体后发生不同衰减的X射线在胶片或感光屏上呈现不同密度的影像。传统X射线摄影应用广泛,占基层医院工作量的70%左右。但由于胶片溴化银分子决定胶片影像的分辨率,所以其分辨率只能达到分子颗粒级。传统摄影在观察透视影像时需连续曝光,增加了受检查的辐射量,降低了X射线使用效率。

数字X射线摄影是利用计算机技术,使作用于人体后的X射线不再作用于胶片或感光屏,而是经过探测器将光信号转换为数字号,并以矩阵形式交由计算机处理重新成像。其分辨率主要由电子探测器决定,可达数百微米,高于传统的增感屏—胶片系统。数字X摄摄影得到的图像可以进行各种后处理,影像的显示、调阅和存贮可实现数字网络化,它为提高图像质量,实现无胶片放射科室以及使放射医学摄像进入PACS(图像存档和通信系统)提供了美好的前景。

二、数字X射线摄影的分类

1.DF数字化透视和DSA数字化血管减影类。

这类机器的图像处理主要由影像增强器、电荷耦合器(或摄像管)以及模/数转换部分来完成。影像增强器或电荷耦合器首先将X射线影像信息转换为可见光影像(视频信号),然后再经模拟数字转换成为数字信号。这类数字化装置具有与X射线透视方式下定位点片摄影相近的操作方式及优点,能进行多种后处理,空间分辨率可达2K(2048×2048)或4K数字图像水平。数字化胃肠检查机、遥控数字化多功能机已成为这类机器的主流。DSA设备也成为基层医院开展介入放射学的基本设备。此类设备的优点在于低剂量,实时性,具有较好的性能价格比。

2.CR计算机X射线摄影装置类。

CR是电子探测器被应用于X射线摄影之前的一个转换阶段。它以IP板(成像板)截取X射线影像信息,经激光读出器读出后,再形成数字化影像。此类产品的动态特性和空间分辨率传统增感屏———胶片系统相比有明显提高。在数字X射线机的市场上占有相当的份额。但其价格较贵,而且其成像原理和过程仍为间接数字放射摄影,所以最终将成为一种过度类型,不是数字X射线摄影的发展方向。

3.DDR直接数字放射摄影类。

此类设备以平板型探测器为X射线影像信息的转换载体。以TFT薄膜晶体管阵列做探测器的平板系统,因方法不同又分为两种类型:其一是由非晶硒和TFT构成阵列板,其二是闪烁体、非晶硅和TFT构成阵列板,两者均可以直接读出数字信号。DDR成像系统使用全固体化的X射线影像载体,彻底避免了影像增强器中固有的缺点,可与原有的X射线机使用,直接显示图像,成像速度快,图像的空间分辨率和密度分辨率都很高。1996年开始,国外就已经开始将此类产品投放市场。GE、岛津、西门子、DR等公司均有自己独特的产品,并在不断的开发中,此类产品是目前X射线影像数字化研究发展的主要方向。

三、数字X射线摄影成像原理及成像过程

1.间接数字影像转换

间接数字放射摄影系统(IDR)的成像主要原理:它是由CsI等物质构成X射线的转换屏幕,或称为闪烁体。X射线到达闪烁体后,激发出可见光子。生成的光子用一个灵敏矩阵阵列检测,它的每一个像素具有一个光电二极管和薄膜晶体管开关。可见光传递给下面的光电二极管,光电二极管触发薄膜晶体管产生输出信号。

2.直接数字影像转换

直接数字放射摄影系统(DDR)成像主要原理:它是由非晶硒和薄膜晶体管构成的阵列板,阵列板的每一个单元包含一个存储电容和非晶硅的场效应晶体管。由于非晶硒是一种光电导材料,照相前先给阵列板一个1~5Kv的电压,电压加在接触板上使非晶硒层带上一层电荷,接受X射线像时由于非晶硒的光电导效应导致电阻发生改变,使其下面的薄膜晶体管层的电容充电,相应产生电荷的变化,从而得到图像信号电流,进而形成数字化图像。

3.直接和间接数字影像转换方式的比较

直接数字影像转换方式使用光导材料非晶硒不产生可见光,只是电子的传导,可避免散射线的产生,这对提高图像清晰度是有好处的。它有潜力提供比基于闪烁体的间接影像转换方式更高分辨率的图像,甚至那些使用结构化CsI晶体的系统。间接数字影像转换方式在空间低频部分有很高的量子效率DQE,而在空间高频部分的量子效率DQE却很低。直接数字影像转换方式和间接数字影像转换方式的信噪比在像素较大的情况下,因为两者的X射线到电荷的转换增益是相同(假设间接方式是CsI和α-Si,直接方式是转换增益为10V/μm的α-Se),所以本质上是相同的。但是,当像素的尺度减小时,直接方式可以保持100%的填充因子(也即电荷的收集效率)。而在间接方式中,离散的电极间存在间隙,光线的吸收效率急剧下降。这样在与其他因素的共同作用的情况下,影响了间接方式的图像质量。直接方式就可以极大地减少相邻像素之间的干扰,而且因为没有闪烁体的缘故,也就避免了余辉的存在。

直接数字影像转换方式比数字影像转换方式的制造工艺更简单。首先直接方式只需要一层统一的光导层,而不是结构化的CsI晶体层。其次,因为X射线在光导层被直接转换光子,每个像素就不必像间接方式那样要求有对应的光电二极管,因此灵敏矩阵阵列就不再那么复杂了。以上两点保证了直接数字放射摄影探测器的制造更经济。直接数字影像转换方式具有以下缺点,表现在被激活的α-Se层需要非常高的电压,高压就有可能破坏矩阵阵列的灵敏区。即存在安全可靠性问题。这在光导器件和半导体器件两者中选择必须要考虑的因素。

四、总论

医学影像数字化及其计算机处理,从根本上改变了医学图像的采集、显示、存储、变换方式和手段,为逐步或完全取代胶片,建立无胶片医学图像系统创造了条件。直接数字成像系统DDR,作为PACS的一个关键环节,必将成为医院的首选。数字化、网络化、无胶片的影像科,是21世纪放射医学影像发展的必然趋势。

参考文献:

分子影像学第5篇

【关键词】 艾滋病;肺孢子肺炎;CT 影像特征

DOI:10.14163/ki.11-5547/r.2016.10.083

肺孢子菌肺炎(PCP)又被称之为卡氏肺孢子虫肺炎[1], 起初临床认为肺孢子虫是一种原虫, 后来发现其 DNA与真菌极为类似, 目前已经把肺孢子虫归为真菌, 即肺孢子菌, 当肺部感染肺孢子菌时发病肺孢子菌肺炎。PCP 是一种获得性免疫缺陷综合征(AIDS)患者最容易并发的感染, 可伴随整个病程, 并且常反复感染。现择取2013年12月~2015年12月在本院进行诊治的76例艾滋病合并肺孢子菌肺炎患者, 进一步了解 CT 扫描的影像特征, 以便提高临床诊断的准确率, 研究情况如下。

1 资料与方法

1. 1 一般资料 择取2013年12月~2015年12月在本院进行诊治的76例艾滋病合并肺孢子菌肺炎患者, 男41例, 女35例。年龄26~64岁, 平均年龄(39.49±8.15)岁。全部患者经 HIV 抗体初筛、确认试验结果均为阳性;通过纤维支气管镜活检发现肺孢子菌, 确诊为艾滋病合并肺孢子菌肺炎。临床症状及体征:全部患者均存在不同程度的体重减轻, 胸痛者10例, 进行性呼吸困难者42例, 咳嗽者57例, 咳痰者24例, 发热者56例(体温37.0~39.8℃)。化验检查显示: CD4+ T淋巴细胞计数均

1. 2 诊断标准 参考《艾滋病诊疗指南》的临床诊断标准:①支气管肺泡灌洗化验PC或者支气管镜活检、痰液检查结果均为阳性。②满足AIDS的临床诊断标准, 或是其他严重的免疫力低下。③CD4≤200/mm3。④具有胸痛、发热、呼吸困难、干咳、体重下降等症状, 并且胸部体征不典型。⑤存在明显的胸部 X 线片影像征。⑥通过经验性抗 PCP 治疗后, 取得了一定的疗效。⑦连续3次化验显示, 血清内乳酸脱氢酶( LDH)含量逐渐增高。具备上述诊断标准的第①项或者 ②~⑦项中的4项, 即可诊断为肺孢子菌肺炎。

1. 3 方法 选用 GE 64 排螺旋 CT 机进行扫描。扫描参数[2]:层距5.0 mm, 层厚5.0 mm。其中, 28例患者进行薄层重建检查, 35例患者进行两次以上 CT 扫描检查, 5例患者进行 CT 增强扫描。所获影像图由2名以上影像医生及临床医生共同观察会诊进行诊断, 同时对影像图进行分类分析。

2 结果

2. 1 CT表现 CT扫描显示双肺磨玻璃状、云雾样改变者59例, 占77.63%。其影像图可见为双肺弥漫密度升高, 且肺野透亮度减弱, 轻者可见云雾样, 重者可见磨玻璃状, 严重时可见肺实变, 显示支气管气像;双肺表现磨玻璃影伴有网状、条索状影者25例, 占32.89%。其影像可见为双肺弥漫密度升高, 且肺野透亮度减弱, 同时表现密度更高的索条状、网织状影;碎石路征者19例, 占25.00%。其影像图可见为斑片状或弥漫磨玻璃影, 有碎石路, 呈不规则分布, 可观察到小叶间隔增厚的线状影;合并淋巴结肿大、胸腔积液、结节灶、局限性肺气肿、散在斑片影者8例, 占10.53%。

2. 2 治疗后 CT 影像改变 抗感染合理治疗1~2周, 病变没有显著吸收, 其中38例增大、增多, 改为抗 PCP 药物治疗, 然后反复复查;56例患者病灶减少、吸收, 20例无显著改变, 10例患者病情恶化。

3 讨论

随着艾滋病病程的进展, 患者细胞体液免疫功能与免疫功能不断下降, 经常并发其他感染。临床上通常以外周血每微升 CD4 细胞计数作为判断艾滋病患者免疫系统抑制程度的标准, 一般与呼吸系统的某些疾病发生具有密切的关联性[3], 典型的肺孢子菌肺炎发病于CD4细胞计数200个/μl。本次试验中, 患者CD4细胞计数

全部患者通过纤维支气管镜活检病理实验结果发现, 肺泡间隔增厚或者纤维化, 肺泡腔中存在较多嗜酸性泡沫样渗出物, 与影像学表现完全吻合。尽管碎石路征、网状影、磨玻璃样改变、云雾样等影像特征也可能出现于肺泡癌、肺泡蛋白沉积症、其他机型间质性肺炎等疾病[5], 但是也是艾滋病合并肺孢子菌肺炎患者的特征性影像学表现。 CT 扫描观察肺实质, 效果明显优于胸片, 尤其是对临床诊断疑似病例或不典型病例, CT 扫描检查具有重要价值, 可显示出小的支气管充气像、肺气囊样变、小叶间隔增厚等影像特征, CT 检查必不可少。

肺孢子菌肺炎的主要特征为对称性、弥漫性分布的磨玻璃密度影、网织结节影, 临床上应该特别注意区分特发性肺间质纤维化、肺水肿以及肺泡蛋白沉积征等疾病。磨玻璃密度影说明实质累及, 常见于急性期, 肺孢子菌肺炎时肺磨玻璃密度影表现为弥漫性、对称性分布, 一般发生于双侧中下肺野或者肺门周围, 在双侧肺凸面胸膜下或者肺尖形成边界清晰、弧带状低密度影[6]。

综上研究结果及结论可知, 艾滋病合并肺孢子菌肺炎患者的 CT 影像表现具有一定的特征性, 并且 CT 检查对艾滋病合并肺孢子菌肺炎的临床诊断、治疗具有非常重要的参考价值。艾滋病患者伴有发热、咳嗽时, 临床表现为进行性呼吸困难, 需尽可能快的给予胸部 CT 检查, 对碎石路征、网状影、磨玻璃样改变、双肺云雾样的胸部表现及时给予肺孢子菌肺炎的确切诊断。在进行病原学确诊的同时还应该及早给予对症治疗, 以便提高临床治疗的效果。

参考文献

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分子影像学第6篇

关键词:《墨经》;几何学;光学;力学

中图分类号:B224文献标志码:A文章编号:1009-8135(2018)05-0107-08

墨翟著作《墨子》中的《经上》《经下》《经说上》《经说下》《大取》《小取》六篇总称为《墨经》六书,是后期墨家弟子的集体创作,成书于百家争鸣的战国后期(公元前3世纪)。《墨经》中大部分内容是战国时代墨家的逻辑学,小部分是墨家的伦理学,更有一小部分是自然科学,如几何学、光学、力学等。所以它是我国文化遗产中很重要的内容。下文拟详细介绍《墨经》中的自然哲学思想。

一、《墨经》中的几何学理论

“《墨经》涉及几何学的条目约有十几条。这些条目集中在《经上》和《经说上》两篇,主要是一些几何学概念的定义或界说,如‘体’‘尺’‘方’‘圆’‘中’‘仳’‘次’‘兼’等等。这些定义虽然看似简单,但它们涉及到几何学中整体与部分的关系,有穷无穷问题,点、线、面及形体之间相交、相切、相比等重要问题,具备了初步的几何学概念体系。”[1]222

(一)点的定义

端,体之无厚而最前者也。(《墨子·经上》)

端:是无间也。(《墨子·经说上》)

“在《墨经》中,‘端’有两种含义,既可指物理学上的质点或原子,又可指几何学上的点。李约瑟(JosephNeedham)曾把这两种含义结合起来,称之为‘几何原子’。本条经文中的‘端’大概是指几何学上的点。整句话的意思是说,任何一种几何体都可以分成很多部分,其中那些没有厚度(‘无厚’)、不能再分(‘无间’),并且位于几何体最前边的部分就叫做‘端’。严格地说,‘端’在事实上并不存在,它只是几何学的假定。后期墨家用‘无厚’‘无间’来定义‘端’,说明他们对几何学意义上的点已有充分的认识。”[1]223

对于“端”的物理学意义,后期墨家也有所论述:

非半弗都则不动,说在端。(《墨子·经下》)

非:都半,进前取也,前则中无为半,犹端也。前后取,则端中也。郑必半,毋与非半,不可都也。(《墨子·经说下》)

本条主要是反驳辩者“一尺之捶,日取其半,万世不竭”的命题。按照辩者的观点,一根一尺长的棍子,每天取去一半,永远都达不到终点。后期墨家不同意这种观点。他们认为,一根有限长的棍子按照“取半”的方法一直分割下去,总有一天会到不能再分的时候,这个时候就只剩下一个“非半”的质点。不管是从棍子的一头分起,还是从棍子的两头同时分起,结果都是一样的,只不过最后的质点所处位置不同。考虑到后期墨家反对《老子》“有生于无”的说法,他们不可能同意物理学意义上的“端”等于纯粹的虚无,所以人们通常认为后期墨家所谓“端”有点接近于德谟克利特(希腊文:Δημ?κριτο?)的原子。

(二)整体与部分

体,分于兼也。(《墨子·经上》)

体:若二之一,尺之端也。(《墨子·经说上》)

《墨经》中的“体”通常指部分,“兼”指整体。“体分于兼”的意思是说,部分是由整体分出的。《经说》进一步举出两个例子予以说明,其中,“一”和“二”的关系比较清楚,“二”相对于“一”来说是整体,“一”则是“二”的部分。“尺”与“端”则需要做些解释。在《墨经》中,“尺”相当于几何学上的线,“端”相当于点,所以“尺”和“端”的关系实际上就是几何学中线与点的关系。按照后期墨家,“尺”和“端”之间是整体和部分的关系,其意思无非是说,线是点的集合,点积累起来就是线。

(三)有穷与无穷

穷,或有前不容尺也。(《墨子·经上》)

穷:或不容尺,有穷。莫不容尺,无穷也。(《墨子·经说上》)

“或”即“域”字,指区域。“尺”指“线”。本条的意思是说,一个区域前面再也不能容下一条线,就叫有穷。反之,如果该区域向前延展,永远都达不到边际,永远都能够容得下一线,称为无穷。有穷和无穷是现代数学中一对极其重要的概念,后期墨家用寥寥数语就将其精炼地表述出来。

(四)方与圆

方,柱隅四灌也。(《墨子·经上》)

方:矩写交也。(《墨子·经说上》)

圆,一中同长也。(《墨子·經上》)

圆:规写交也。(《墨子·经说下》)

“这几条是讲几何图形中‘方’和‘圆’的定义。其中,‘柱’指边,‘隅’指角,‘灌’同‘权’,意为相等。经文合起来的意思是说,‘方’是四条边四个角相等,‘圆’是从一个中心到周围的距离处处相等。《经说》则借助绘图工具‘矩’和‘规’解释方圆的性质。矩是画方的仪器,规是画图的仪器。用矩画四条线相交即成方形,用规画一条封闭的相交曲线即成圆形。”[1]225另外,为了准确地说明“圆”的含义,后期墨家给“同长”和“中”分别下定义:

同长,以正相尽也。(《墨子·经上》)

同:捷与狂之同长也。(《墨子·经说上》)

中:同长也。(《墨子·经上》)

中:心自是往相若也。(《墨子·经说上》)

“同长”的意思是两个东西的长度相等,如门楗和门框,把一个叠合到另一个上面,两者正好相尽。“中”指“圆心”,是相对于圆周而言,从圆心到圆周的半径相等,所以“中”即“同长”。《墨经》用“同长”定义“中”,再用“同长”和“中”定义“圆”,一层层地推进、深入,充分显示出后期墨家思维的严格和缜密。

《墨经》中关于几何学方面的内容大体如此。从上文的介绍可以看出,后期墨家不仅给点、方、圆等几何概念下了精确的定义,而且还讨论形体之间的相切、相交、相比、相离等关系。李约瑟说:“无论如何,‘墨经’这些残存的资料和中国古代和中古代的许多其他证据都完全排除了任何一种认为中国古代缺乏几何思想的猜测。尽管中国几何学是一种对于事实的认识,而不是逻辑推理,并且代数的思潮以及它自己的逻辑推理形式在中国一直占有支配地位。”[2]这大概是对后期墨家几何学方面成就的最公允评价。

二、《墨经》中的光学理论

《墨经》中集中讲光学的共有八个条目,其内容主要解释说明针孔成像、投影、镜像以及反射等方面的光学现象。这些关于光学的记载比古希腊欧几里德(希腊文:Ευκλειδη?)的相关理论要早一百多年。对于这八条所取得的成就,近代以来的科学史家多推崇备至。钱临照说:“这样有条理的完整的记录,文虽前后仅八条,寥寥数百字,确乎可称为二千年前世界上伟大光学著作。”[3]76由于这几条文字艰深,错落很多,下文撮其大意,略作介绍。

(一)投影

景不徙,说在改为。(《墨子·经下》)

景:光至,景亡;若在,尽古息。(《墨子·经说下》)

本条说明光和影的关系。按照常识,运动物体的投影,是随着物体一起移动的。但后期墨家经过仔细观察,发现投影并不跟随物体而移动(“景不徙”),我们之所以会感觉到影子在移动,那实际上是由于新影不断生成、旧影不断消亡的缘故,只不过这个过程太迅速,人们容易产生视觉错误而已。《经说》进一步解释说,光照射到的地方,投影马上就会消失。如果光源不动,物体也不动,那么投影将会永远地停留在原处。

(二)重影

景二,说在重。(《墨子·经下》)

景:二光夹一光,一光者景也。(墨子·经说下》)

本条说明重影现象及其原理。经文的意思是,一个物体有两种投影,是由于此物体受到两个光源的重复照射。在合适的条件下,这两种投影会有一部分交叉重叠,形成一个更暗的阴影。该阴影就是重影,又叫本影。本影之外没有交叉重叠的两部分投影就是半影。由两个光源所形成的两个半影夹着一个本影,这即《经说》所言之“二光夹一光”。“一光者景也”指的则是“本影”。后期墨家对本影与半影的解释与现代物理学的解释一致。

(三)针孔成像

景到,在午有端与景长,说在端。(《墨子·经下》)

景:光之人煦若射,下者之入也高,高者之入也下。足敝下光,故成景于上。首敝上光,故成景于下。在远近有端与于光,故景库内也。(《墨子·经说下》)

本条是后期墨家所做的世界上最早的针孔成像实验。“景”即影,也叫像。“午”的意思是交午,指光线的交叉。“端”即点,指屏中一小孔。经文的意思是说,影的倒立,在于光线交叉处(“午”)有一小孔(“端”)。这个小孔与光体的距离,关系到影的大小。《经说》则进一步解释说,光线的传播是直线进行的,所以它照入小孔就如箭一样。从人体下面射入小孔的光线就会照到壁的上方,从人体上面射入小孔的光线就会照到壁的下方。人足在下,蔽着下光,所以足影成于上;人首在上,蔽着上光,故首影在下。这样,人影所成之像自然就是倒立的。

后期墨家在本条中正确地说明光的直线传播原理,在科学史上是一项伟大的成就。科学史家钱临照曾称赞道:“这条《经》虽是一个极简单的光学实验的叙述,而它所说明的却是光学上最基本最重要的一个原理,这就是光是直线进行的原理。近代光学书上要说明光是直线进行的性质,就是用针孔照像匣的实验来说明的,而我们祖先却在二千年前已经发现这个光的基本性质,而加详细的描述了。”[3]83

(四)反射

景迎日,说在转。(《墨子·经下》)

景:日之光反燭人,则景在日与人之间。(《墨子·经说下》)

本条说明光的反射现象。通常,人站在阳光下,影子是背着日光的。现在的情况刚好相反,影子却迎着日光。后期墨家解释说,这是由于日光被某物反射,照在人身上,所以影子才会出现在人和太阳之间。把本条和上一条联系起来看,后期墨家在光学问题上似乎已经不再局限于被动的观察,他们很可能根据不同的条件有意设计过各种光学试验。

(五)物影变化

景之大小,说在杝正远近。(《墨子·经下》)

景:木杝,景短大;木正,景长小。大小于木,则景大于木。非独小也,远近。(《墨子·经说下》)

本条说明物体阴影变化的规律。经文的意思是说,物体的影子所以有时大有时小,是由于物体摆放的位置有斜有正,其与光源的距离有近有远。《经说》下则以一根木杆为例予以补充说明:当木杆斜放时,其影子就短而粗。当木杆正放时,其影子就长而细。当光体小于木杆时,木杆的影子就比木杆本身大。除了大小之外,光体与木杆的距离远近也会影响到杆影之间的关系。当光体离木杆远时,所成之影就比较小;当光体离木杆近时,所成之影就比较大。后期墨家通过对木杆及其影子的各种情况分析,说明物影变化的规律,充分显示出他们分析的细致和观察的周到。

(六)球面镜成像原理

临鉴而立,景到,多而若少,说在寡区。(《墨子·经下》)

临:正鉴,景多寡、貌态、白黑、远近、杝正异于光。鉴景当俱,就去亦当俱,俱用北。鉴者之臭,于鉴无所不鉴。景之臭无数,而必过正。故同处其体俱,然鉴分。(《墨子·经说下》)

本条是对球面镜成像特点的总论。经文的意思是说,当一个人正立于球面镜之前(“临鉴而立”),将会出现两种情况:一是所成之像是倒立的(“景到”),这是凹面镜成像的特点;二是所成之像比原物小(“多而若少”),这是指凸面镜成像的特点。至于球面镜为什么会成倒像和缩小之像,后期墨家的解释是,因为镜面与人体比较起来小,因而无法把整个人体都收进去(“说在寡区”)。这种解释是不正确的,它并没有把球面镜成像原理说明清楚。

《经说》对球面镜所成之像的特点作进一步的解释。“正鉴,景多寡、貌态、白黑、远近、杝正异于光”,意思是说球面镜所成之像的范围大小、状貌形态、色彩明暗、距离远近和位置倒正都和物体本身不同。“鉴景当俱,就去亦当俱,俱用北”,意思是凡在镜前之物都一定会在镜内成一个像,镜与像同时存在。而且,物体在镜面前进行离开和接近的移动,像也会跟着进行移动。不过,物体和像的移动方向刚好相反:当物体逐渐接近镜面时,像总是逐渐离开镜面;当物体逐渐离开镜面时,像则是逐渐接近镜面。“鉴者之臭于鉴无所不鉴。景之臭无数,而必过正”大概是说,人的容貌在镜中都会有所反映,镜中所成之像的容貌是多种多样的,但与人的真实容貌总有差别。最后一句“故同处,其体俱,然鉴分”的意思是,如果磨得不好的镜面,其不同部分会有不同的曲率,一个物体在镜中会形成几个不同的像。综上可知,后期墨家从经文到说文已经有所进步,《经》中对球面镜成像原理的解释还很模糊而不准确,《经说》对物体和镜像关系的说明则较清楚、准确。

(七)凹面镜成像原理

鉴洼,景一小而易,一天而正,说在中之外内。(《墨子·经下》)

鉴:中之内,鉴者近中,则所鉴大,景亦大;远中,则所鉴小,景亦小,而必正,起于中隧,正而长其直也。中之外:鉴者近中,则所鉴大,景亦大;远中,则所鉴小,景亦小,而必易。合于中而长其值也。(《墨子·经说下》)

本条说明凹面镜成像的原理。“洼”即低、深的意思,“鉴洼”就是指凹面镜。按照《经》文,凹面镜成像有两种:一种是缩小而倒立的(“一小而易”),一种是放大而正立的。其根据在两者分别形成于物体的球心之外、内(“说在中之外、内”)。科学史家已经指出后期墨家这种说法不准确,因为他们没有明确区分球心和焦点,只是笼统地说中之外内,所以对凹面镜成像的第三种情况即物体在球心和焦点之间所成之像没有明确论述。

不过,《经说》则不同,其明确提出“中隧”的概念,以区别于球心。这说明后期墨家对焦点和球心的区别已有所认识。《经说》的解释同样分为两种情况:一种是物体在球心之内时,物体离球心近些(“近中”),则物体照起来也大些(“所鉴大”),因此所形成的像也大些(“景亦大”);物体离球心远些(“远中”),则物体照起来也小些(“所鉴小”),因此所形成的像也小些(“景亦小”)。在这种情况下,像必定是正立的,物体也是从焦点开始(“起于中隧”),正立着往镜面方向挪动位置的。显然《经说》的作者已经认识到放大正立的像是物体位于焦点以内所形成。另一种情况是物体在球心之外时,物体离球心近些,则物体照起来要大些,所形成的像也要大些;当物体离球心远些时,则物体照起来要小些,所形成的像也要小些。在这种情况下,像必定是倒立的,物体也是在球心同自己的像重合之后,再背着镜面而挪动其位置的。由此可见,《经说》对《经》似乎并不限于单纯的注解或例釋,而是有所补充和修正。这从一个侧面再次说明《墨经》诸篇非出于一人之手。

(八)凸面镜成像原理

鉴团,景一。(《墨子·经下》)

鉴:鉴者近,则所鉴大,景亦大;其远,所鉴小,景亦小,而必正。景过正故招。(《墨子·经说下》)

本条说明凸面镜成像的原理。“团”即图,指球体。“鉴团”说的就是凸面镜。经文的意思是说,物体无论放在凸面镜前的什么位置,都只能形成一种像。《经说》则给予比较详细的解释:当物体距镜面近时,则物体照起来要大些,所形成的像也要大些;当物体离球心远时,则物体照起来要小些,所形成的像也要小些。而且,物体无论在何处,所成之像总是正立的。

值得注意的是,后期墨家还注意到凸面镜所成之像为虚像。《经说》中所谓“招”,即招摇、恍惚不定的意思。但他们对凸面镜成虚像原因的解释却是不对的。后期墨家认为,如果物体与镜面的距离逐渐加远到极大时,像可以从正立转变为倒立(“过正”),进而变得模糊不清。这种结论大概是他们从凹面镜成像原理推测而来的。

《墨经》中关于光学的八条内容,尽管还有不准确甚至错误之处,但并不影响其在科学史上的崇高地位。《墨经》是世界上现存最早的光学著作,后期墨家是科学史上较早试图解释和研究光学问题的一批科学家,他们对投影、反射、光的直线传播和球面镜成像原理等方面的认识和探索在当时占有绝对领先的地位。

三、《墨经》中的力学理论

“《墨经》中关于力学的条目有十几条,内容涉及到时空观念、力的定义、杠杆原理、滑轮和斜面的作用等方面。其中,对时空和运动的关系,后期墨家的认识比较深刻,对杠杆原理的发现,后期墨家也比西方为早。后期墨家之所以在力学方面取得一些成就,大概与他们从事筑城制械等军事活动有关。”[1]234

(一)时间和空间

久,弥异时也。(《墨子·经上》)

久:古今旦暮。(《墨子·经说上》)

宇,弥异所也。(《墨子·经上》)

宇:东西家南北。(《墨子·经说上》)

“力学是研究机械运动的,机械运动与时间、空间紧密相联。后期墨家对时空问题相当重视,他们首先给时间和空间分别下了一个定义:时间(‘久’)是所有不同时刻和时段的总和,空间(‘宇’)是所有不同场所或方位的总和。《经说》则从外延方面予以进一步说明:时间包括过去、现在、白天、晚上。空间包括东、西、中(‘家’)、南、北。”[1]234-235

这两个看似简单的定义,却有非常深刻的涵义。第一,它们揭示了时空具有无限性。后期墨家关于时间和空间的定义中都用了一个“弥”字。“弥”是一个全称概念,有包含万物、周全的涵义。《墨经》用“弥”字定义时间和空间,其实是揭示时间与空间的共性——无限性。第二,这两个定义说明时间和空间是有限和无限的统一。虽然时间是无始无终的,空间是无边无际的,但必须借助于有限的时段和具体的场所才能把无限的时间和空间体现出来。换言之,只能从具体的时刻(“异时”)才能体验时间,只能从具体的场所(“异所”)才能体验空间。后期墨家用“东西家南北”来定义空间、“古今旦暮”来定义时间,说明他们认识到时空观念都是从具体的感性经验中抽象出来的理性概念。

(二)瞬时的定义

始,当时也。(《墨子·经上》)

始:时,或有久,或无久,始当无久。(《墨子·经说上》)

这里所说的“瞬时”是力学中的一个重要概念。如果要考察物体的运动,就必须把时间概念区分为两种:一种是无时隔的瞬间,一种是有时隔的时段。《墨经》中称瞬间为“始”,无时隔的时间为“无久”,有时隔的时间为“有久”。由于“始”的含义是“当时”,即当下的一刹那,所以“始”等同于无时隔的瞬间。把本条和上一条联系起来看,意思就是说,从整体上说时间上是无始无终的,但是具体到个别的事物,可以有一个开端,从研究具体事物的运动变化来说,则有必要设定一个时间值无限趨近于零的瞬间。后期墨家对“始”的定义为他们进一步研究物体的运动奠定基础[4]。

(三)运动与时、空

宇或徙,说在长宇久。(《墨子·经下》)

长宇:徙而有处宇,宇南北,在旦有在莫。宇徙久。(《墨子·经说下》)

行修以久,说在先后。(《墨子·经下》)

行:行者必先近而后远。远近,修也。先后,久也。民行修必以久也。(《墨子·经说下》)

这两条讨论运动和时间、空间的关系。第一条的意思是说,物体在空间的位置移动,实际上就是它在空间随时间的持续而自近而远。物体在空间的移动随时都有其所处的空间。如物体在空间自北向南,相应时间就从早晨到晚上。这说明物体在空间移动是需要时间的[5]。第二条的意思是说,物体行经一定的距离,相应地需要一定的时间,因为该物体行经各处有先有后。如人走路必须先近而后远,先后是时间,远近是距离,行走一定距离必须用一定的时间。两条合起来,可以看出后期墨家对运动和时空关系的基本看法:物质存在的形式是时间和空间,物质的运动是在一定的时间和空间中的运动。时间和空间紧密联系在一起,密不可分,物质在空间的运动需要相应的时间。这种看法比较符合现代科学的观点。

(四)力的定义

力,刑之所以奋也。(《墨子·经上》)

力:重之谓。下与重,奋也。(《墨子·经说上》)

分子影像学第7篇

【关键词】图像重建;MATLAB;成像;滤波反投影

1.引言

图像重建是指根据对对象的投影数据来获取对象中物质分布的信息的一种图像处理技术,它在各个应用领域都显示出独特的重要性。例如,在医疗放射学、核医学、电子显微等领域都有很多的应用。图像重建其意义在于对被检测对象获取内部结构的图像而不对对象造成物理上的任何损伤,具备无损检测的显著优点。

从技术层面上来说,所谓图像重建,就是由某个对象的二维截面或断面向一平面内做各个方向的投影,可以获得一系列的一维投影函数,而由投影获取的这些一维投影函数来重建二维截面。其理论知识包括断层成像、投影重建、傅里叶变换、中心切片定理,涉及众多抽象的理论和数学模型,而在MATLAB软件平台环境下,使这些抽象而枯燥的大量数学公式和理论演变为真实的重建图像。这样,学生学习的目的性更强,大大提高了学习兴趣。本文以描述简单的正方形黑盒子模型为例,分别对直接反投影、先反投影再滤波,以及先滤波再反投影算法进行实验,然后选取最优的滤波反投影算法、在最优视角下以及适合的滤波器进行图像重建实验。

2.方法

方案一是直接反投影算法把每次测得的投影数据“原路”反投影到投影线的各个像素上。即指定投影线上所有各点的值等于所测得的投影值。反投影重建算法的一般步骤如下:

图1 反投影重建算法

其理论模型为:

(1)

方案二是在做了反投影后,会得到一个模糊的二维图像b(x,y),所以可以考虑应用一个二维的滤波器来使图像变得清晰。先反投影再滤波的一般步骤如下:

(1)对反投影得到的图像b(x,y)求二维傅里叶变换,得到。

(2)对其乘以斜坡滤波器的传递函数,得到。

(3)对求二维傅里叶反变换,得到。

其理论模型为:

(2)

方案三是FBP(先滤波再反投影)算法可按照以下步骤实现。

(1)以s为变量求投影数据的一维傅里叶变换得到。

(2)对乘以斜坡滤波器的传递函数||,得到。

(3)求的以为变量的一维傅里叶反变换,得到。

(4)求的二维傅里叶反变换,得到。

其理论模型为:

(3)

3.图像重建仿真实验

3.1 不同方法下的图像重建

方案一为直接反投影,用Matlab中的zeros函数创建正方形黑盒子模型图像,用imshow函数显示原图像;用iradon函数实现反投影,参数interp为linear,filter为none。直接反投影算法的显示。

方案二为先反投影再滤波,应用radon函数得到投影图像后,利用medfilt2函数中值滤波得到重建结果。

方案三为先滤波再反投影重建。

重建结果如图2所示。

图2 直接反投影重建结果

3.2 不同视角下的图像重建

当把视角分别变换为10、20、40、80和180时,得到如图3所示的不同结果。

图3 不同视角下的重建结果

以上的仿真结果表明如果视角不够,重建的图像结果中就会显示出令人讨厌的条纹状的伪影。由于数据或重建算法错误和误差造成的图像伪影,伪影(英文是Artifact)的概念指的是原图像中没有的。

3.3 不同滤波器下的图像重建

滤波函数有许多类型,大体可以划分平滑型、增强型和复原型等等,其中平滑型滤波函数在FBP算法中是大多数情况下采用的。滤波函数设计主要是设计窗函数,当然也可以利用Matlab函数库现有的窗函数实现滤波,我们经常用到的滤波函数有R-L滤波函数、S-L滤波函数等等。下面举例说明在不同滤波器下同一幅图像的重建结果。对原图像施加不同程度的噪声,如10dB、20dB、80dB的噪声,再对其施用不同的窗函数,并观察其噪声效果。

通过实验我们得知,R-L滤波函数重建出的图像轮廓比较清晰,但是存在的问题是在空间域中有振荡现象,如果原图像中含有噪声,例如高斯噪声等,重建的图像质量也不够让人满意。对比与R-L滤波函数,用S-L滤波函数重建的图像振荡较小,对含噪声的图像重建出来的图像质量也较好,S-L滤波函数重建的图像在高频响应效果不是很好好,这是因为在高频段S-L滤波函数偏离了理想的滤波函数曲线所致。

结果表明,在有噪声的情况下,对原图像施加不同程度的高斯噪声,10dB、20dB、40dB的噪声,应用不同的即R-L、S-L和Hann滤波器重建出的结果也不同。因此滤波器的选择也是影响图像重建质量的因素。

4.结束语

通过理论和MATLAB软件实现黑盒子的图像重建的可行性分析结果,实现了在无噪声情况下实现不同视角下的图像重建。将MATLAB应用于图像重建教学中,一方面使用教学过程变得生动活泼,另一方面使理论应用于实际,方面学生掌握和实验。

参考文献

[1]朱.利用MATLAB实现图像重建的算法研究[D].苏州大学,2003,12.

[2]曾更生.医学图像重建[M].高等教育出版社,2012.

[3]翟静.三维锥束CT中滤波反投影算法的研究[D].中北大学,2008.

[4]Bo Yang,Mo Dai.Image reconstruction from continuous GaussianHermite moments implemented by discrete algorithm.Pattern Recognition,2011,Vol.45(4)pp.1602-1616.

[5]柏均,闫红梅,张鸣.Matlab在“数字图像处理”课程教学中的利弊分析[J].电气电子教学学报,2010,02.

[6]付青青,吴爱平.电子信息工程专业《数字图像处理》课程的教学改革探讨[J].湖北广播电视大学学报,2008,10.

分子影像学第8篇

关键词: 医学影像; 交叉教学; 教学质量; 教学有效性

中图分类号:R-4 文献标识码:A 文章编号:1004-7484(2012)06-0182-02

医学影像学专业是伴随现代电子计算机、物理学和医学飞速发展应运而生的新兴专业,主要涉及领域有X光、MR、US、ECT等四大医学成像设备,随着四现代化成像设备在医疗、教学机构中的的广泛应用,医学影像科室在临床诊断中的地位逐年上升,要求有清晰的图像质量,较高的成像技术,和较好的诊断水平,对影像专业的大学毕业生也提出了越来越高的要求,有资料报道国家九五攻关重大决策将影像学一个分支学科介入放射学单独立项为一级学科,与内科、外科并列为现代医学三大技术[1],而目前从事影像诊断和治疗工作的医生的学历结构、知识结构及专业水平等方面都十分薄弱[2], 如何培养高素质,较强动手能力的影像工作人员势在必行,对我院影像专业的人才培养提出了严峻的挑战。

1 我院医学影像专业教学现状

我院针对医学影像专业,主要开设《人体断面与影像解剖学》、《医学电子学基础》、《影像物理学》、《医学影像设备学》、《医学影像检查技术学》、《影像诊断》、《超声诊断》、《核医学》、《肿瘤放射治疗》、《介入放射学》,同时开设选修课《常用医疗设备原理与维修》、《医学图像处理学》等课程,传统的教学活动中,专业各知识点比较孤立,学生学习过一门课程以后,和下一门课程联系不紧密,不能形成系统的知识脉络,只能获得表层知识,缺少理性认识,感悟少,难以内化,导致学生学习质量不高,学习效果不理想。在我院院长领导下,在教学各环节中进行改革,取得了诸多成效,目前在教学过程中,强调建立课程间系统的知识体系,让学生理解各课程之间并不是独立的,而是一脉相承的。

2 医学影像课程设置应具有连续性和系统性

医学影像领域作为一个完整的体系,其教学诸课程的设置应遵循连续性和系统性。例如,在技术线路,可以先让学生掌握电子信号的基础理论知识,掌握基本元器件的工作原理,运用所学知识将知识点运用到到影像设备学当中,掌握医学成像设备的特点,学以致用,然后进一步提高专业技能。在图像处理环节,完成各种电子元器件的学习之后,学习成像设备的成像原理,与图像后处理方式;结合医学图像处理技术学习医学图像分析的技能。因此,要合理安排相关课程的顺序,使学生能够形成系统的知识脉络,使学生能够循序渐进地掌握较为熟练的操作技能[3]。目前我们要做的工作是在各课程中增加各学科的交叉融合,重点突出前一门课程为后一门课程服务的知识点,每一个具体的知识点做到前后连续、衔接,培养学生独立健全的思维,在学生头脑中建立系统化的知识体系。

3研究课程间交叉渗透的意义和具体工作

3.1 影像专业课交叉教学,相互渗透的意义

影像专业课交叉教学,相互渗透,主要目的就是提高课程教学质量,提高教学有效性。例如在《医学影像设备学》CT部分教学时,由于目前CT临床进展的速度很快,我省哈医大四院就已应用320排螺旋CT从事增强扫描、CTA及三维重建[4],与此相对应的教学内容就很多,在理论课当中,教师充分更新教材的理论内容,联系多学科相关内容进行讲解,涉及到电子学的元器件,影像物理学的成像原理,诊断学的心脏三维图像等等,充分对相关理论内容进行融合讲解,同时在实验课当中, 让学生去建立感性认识,增加设备各部分的连续性,这样既能体现学生个性化学习,又能使全体学生逐步养成善于观察发现问题、解决问题的良好习惯。

3.2 影像专业课交叉教学的具体做法

针对医学影像专业,在医学物理学课程中,重点介绍X线基本原理及辐射衰减特征,人体医学物理特性;电子学中重点介绍基本元器件的结构及原理,模拟信号、数字信号的原理及特点;影像物理学中,重点介绍四大影像成像原理及基本物理算法等;影像设备学教学中根据成像原理重点介绍各设备结构,构造,新设备;检查技术学中利用影像设备讲解具体临床操作以及新技术,新方法;医学图像处理重点介绍所得图像的基本后处理方法以及不同的图像后处理方法所得图像的特点;常用医疗设备原理与维修学介绍临床新技术及设备故障分析及排除;影像诊断学、超声诊断学、主要根据各自的成像特点,介绍疾病的图像诊断依据。核医学、肿瘤放射治疗及介入放射学主要讲解影像的治疗方法。在各课程中,注重系统化教学,知识点脉络清晰,易于理解,同时又能避免知识的重复性讲解。

我院医学影像专业在目前的教改过程中取得了瞩目的成绩,学生动手操作能力,基础理论知识扎实,深受用人单位的好评,就业率逐年增加,总之,高等医学院校必须顺应医学科学和高等医学教育的发展,积极探索教学改革,以期不断提高教学的水平与效率[5],实现高等医学教育教学的科学运行,为社会主义现代化建设事业输送更多的高素质医疗卫生人才。

参考文献

[1]杨小庆.创建特色专业,培养医学影像学高素质人才[J].东南大学学报,2006,25(5):382~385.

[2] 张淑丽,王哓东,钱丽丽. 医学影像学专业应用型人才培养方案的研究与实践[J].齐齐哈尔医学院学报,2010,31(21):3448~3449.

[3] 杨春兰,吴水才,白燕萍. 医学影像专业人才培养模式探讨[J]. 中国电力教育,2009,5(132):105~106.