生物成像技术的物理基础与信号处理方法
表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用
第6卷 第5期2013年10月 中国光学 Chinese Optics Vol.6 No.5 Oct.2013 收稿日期:2013⁃09⁃12;修订日期:2013⁃10⁃13 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.21006079);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(No.20126101110017)文章编号 1674⁃2915(2013)05⁃0633⁃10表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用周明辉1,廖春艳2,任兆玉1,樊海明1,3∗,白晋涛1(1.西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安710069;2.西北大学物理学系,陕西西安710069;3.西北大学化工学院,陕西西安710069)摘要:基于表面增强拉曼光谱的成像分析方法具有频带窄,水溶液背景弱,稳定性好,高特异性等优势已成为生物成像领域的优良选择。
拉曼成像技术拓展了拉曼光谱的应用范围,使其不再只是检测单点化学成分的手段,而进一步用于对评价区域内化学物质成分、分布及变化进行整体统计和描述。
本文探讨了表面增强拉曼散射的原理及增强机制,介绍了基于表面增强拉曼光谱的拉曼成像技术,并对其在无标记成像及带标记成像中的细胞成像、活体成像,特别是其在生物医学方面的应用进行了详细论述,最后讨论了表面增强拉曼光谱生物成像技术存在的问题,展望了该项技术的研究和应用前景。
关 键 词:拉曼散射;表面增强拉曼光谱;生物成像;生物医学中图分类号:O657.37;Q⁃334 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20130605.0633Bioimaging technologies based on surface⁃enhancedRaman spectroscopy and their applicationsZHOU Ming⁃hui 1,LIAO Chun⁃yan 2,REN Zhao⁃yu 1,FAN Hai⁃ming 1,3∗,BAI Jin⁃tao 1(1.Institute of Photonics &Photon⁃technology ,Northwest University ,Xi′an 710069,China ;2.Physics Department ,Northwest University ,Xi′an 710069,China ;3.School of Chemical Engineering ,Northwest University ,Xi′an 710069,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :fanhm@Abstract :The bioimaging technology based on the Surface⁃enhanced Raman Spectroscopy (SERS)has e⁃merged as a potential alternative due to its narrow bandwidth,weak background interference,high stability of label agent and specificity.Raman imaging technique can not only analyze a single point of the sample,but also offer an integral description of ingredient,distribution and variation for a large scale selected region.This paper introduces the principle of surface enhanced Raman scattering and its enhancement mechanism.Then,it reviews the recent development of SERS based bioimaging where both non⁃labeled and labelled SERS ima⁃ging techniques are included,and describes its applications to the biomedicine.Finally,it discusses some problems existed in the current technology and points out the future developing trends of the SERS⁃based bio⁃imaging.Key words :Raman scattering;surface⁃enhanced Raman spectroscopy;bioimaging;biomedicine1 引 言 拉曼散射(Raman Scattering)效应是一种由分子振动和晶格振动导致的非弹性散射。
BOLD-fMRI脑功能成像
BOLD-fMRI脑功能成像复旦大学附属肿瘤医院影像中心周良平一、概述大脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，是人体接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令、产生行为的指挥部：是人体内外环境信息获得、存储、处理、加工和整合的中枢。
近年来，随着其他学科和技术的飞速发展，出现了许多新概念、新技术和新方法，使脑科学的研究取得了较大的进展。
当代脑科学的研究有两个显著特点:一是对脑研究由宏观深入到微观，在细胞与分子水平把功能与结构研究结合起来，研究神经元、突触及神经网络的活动规律；二是对脑的研究已经突破了感觉与运动等一般生理功能的控制，而把复杂的、高级的精神意识纳入了科学研究的轨道，探索大脑与行为、大脑与思维的关系。
总之，要在局部深入了解的基础上解决脑的整体功能问题。
脑功能研究方法很多，可以分为⑴测量脑内化合物的方法：目前可用于测量活体人脑化合物的技术主要有三种，包括单光子发射计算机断层显像技术（singlephotoemissioncomputerizedtomography，SPECT）、正电子发射断层成像技术（positronemissiontomography，PET）和磁共振波谱分析技术（magneticresonancespectroscopy，MRS）；⑵测量局部代谢和血氧变化的技术：当神经元活动增加时，局部的血流、氧代谢、糖代谢会产生相应的变化，因此通过测量局部血流和代谢等神经元活动的次级反应可以了解该部位的神经元活动情况，测量神经元活动的次级反应的主要方法包括PET、功能磁共振成像（functionalmagneticresonanceimaging，fMRI）和光学成像技术。
这类技术在认知科学的研究中应用最为广泛。
主要用于功能定位和脑局部反应特征的研究；⑶测量脑内神经元活动的技术：目前直接用于测量人脑神经元活动的技术主要有脑电图，脑磁图（magnetoencephalography，MEG）以及以上述两种技术为基础发展起来的事件相关电位技术（event-relatedpotential，ERP）。
核磁共振成像技术的数据处理与分析研究
核磁共振成像技术的数据处理与分析研究核磁共振成像技术（MRI）已经成为医学诊断中最普遍使用的成像技术之一。
MRI能够为我们提供清晰的生物组织图像，从而帮助医生确定患者的疾病状况。
MRI成像技术利用强大的磁性场和无线电波来生成高分辨率的影像。
然而，这些数据必须经过一系列的数据处理和分析才能被转化成医生可以理解的可视化图像。
本文旨在介绍MRI数据处理和分析的过程和方法。
一、MRI数据获取MRI成像技术并不是简单的拍摄一张照片，而是采集许多数据点来创建一个3D的图像。
这些数据点称为“k空间数据”。
k空间数据是由MRI扫描生成的原始数据。
这些数据存储在计算机中并在处理和分析期间进行操作。
这些原始数据包括信号、脉冲序列、磁场梯度和空间编码信息。
这些数据将在后续步骤中被用来创建医生可以理解的图像。
二、数据预处理在将k空间数据转化为可视化MRI图像之前，必须对数据进行预处理。
预处理过程包括噪声消除、运动补偿、估计磁场偏移、亮度和对比度校正。
噪声是MRI数据处理中最常见的问题之一。
因为噪声可以影响到图像质量及后续分析结果的准确性，所以必须进行噪声去除。
常用的去噪方法包括：高斯平滑、平均滤波、中值滤波等。
运动补偿通常是针对头部扫描时产生的移动的问题。
运动造成的去除可能会使MRI图像产生伪像，导致医生的分析错误。
因此，必须将运动补偿作为一个预处理步骤。
估计磁场偏移也是MRI过程中一个常见的问题。
如果未经校正，磁场偏移会在MRI图像中产生像移、伪像和噪声。
为消除磁场偏移的影响，常用的方法包括：水平校正和空间校正。
亮度和对比度校正是最后一步预处理，目的是消除MRI图像上的强度偏差。
这可以通过直方图均衡化或自适应直方图均衡化技术实现。
三、图像重建图像重建是将k空间数据转化为可视化MRI图像的重要步骤。
基本上，这是将k空间数据转换为3D图像的过程，可以通过不同的图像重建算法来实现。
这些算法我们可以分为两类：基于傅里叶变换的算法和模型导向的算法。
天津市考研生物医学工程复习资料医学成像技术与像处理方法总结
天津市考研生物医学工程复习资料医学成像技术与像处理方法总结天津市考研生物医学工程复习资料医学成像技术与图像处理方法总结一、医学成像技术概述医学成像技术是一种通过非侵入性或微创性方法获取人体内部结构和功能信息的技术手段。
它在医学领域具有重要的应用价值，能够帮助医生进行疾病的诊断、治疗和监测等工作。
目前较为常见的医学成像技术有X射线摄影、CT扫描、磁共振成像（MRI）、超声成像以及核医学成像等。
二、X射线摄影X射线摄影是一种利用X射线通过人体组织的不同程度吸收来显示图像的成像技术。
其原理是通过将X射线通过人体部位，透射后形成的不同程度的遮挡被记录下来，从而获得X射线摄影图像。
X射线摄影在临床应用中广泛用于骨骼系统和胸部等脏器的检查。
三、CT扫描CT扫描全称为计算机断层摄影，是一种X射线成像技术。
与传统的X射线摄影不同，CT扫描通过旋转式X射线源和探测器，对人体进行多个角度的X射线扫描，从而获得多个切面的图像。
CT扫描能够提供更为详细的人体结构信息，对于肿瘤、血管疾病等疾病的诊断具有重要意义。
四、磁共振成像（MRI）磁共振成像是一种利用原子核磁共振现象生成图像的成像技术。
它通过对人体内磁共振信号的测量和分析，得到不同组织的信号强度和空间分布，从而生成图像。
相比于X射线摄影和CT扫描，MRI在观察软组织的对比度上具有明显优势，对于神经系统、腹部以及骨关节等部位的检查具有灵敏度高的特点。
五、超声成像超声成像是一种利用高频声波在体内产生回声并通过回声形成图像的技术。
超声成像在临床应用中广泛用于产科、心脏病学、肝脏疾病等领域的检查。
其优点是无辐射、无创伤、实时性好和适用于各个年龄层次的人群。
然而，超声成像在图像质量、深部组织观察以及对于骨骼结构的显示方面存在一定的局限性。
六、核医学成像核医学成像是一种利用核素放射性衰变原理进行图像记录和显示的成像技术。
它通过给患者体内注射放射性药物，利用药物在体内的代谢和分布情况来获得相关的图像。
医学成像技术PPT课件
超声诊断仪的基本结构 超声诊断仪的基本结构包括：探头、显示器、基本电路 超声诊断仪的类型 A型超声诊断仪（幅度显示） M型超声诊断仪（运动显示） B型超声诊断仪（切面显示） 彩色多普勒超声诊断仪
第二节 医学成像技术的比较
应从各个不同角度全面分析成像系统的优缺点，并指明其临床适用范围。 一、电磁波透射成像的分析 用透射方法成像时，需考虑的主要因素：分辨力、衰减。 从分辨力的角度考虑：用于成像的辐射波的波长至少应小于1.0cm 从衰减的角度考虑：若衰减过大，则很难检测到透过人体 的射线；若衰减过小，则不能得到对比清晰的图像。
夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室
第二节 超声波的基本性质
超声波的概念
超声波具有波长（λ）、频率（f） 和传播速度（c） c＝ λ· f
超声诊断使用的频率范围： 2 ～ 20MHz
医学超声成像技术 超声波的基本性质
夏志勋 深圳大学生物医学工程重点实验室
(1)方向性好。超声波频率很高，方向性相对较强，当超声 波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所 产生的超声波就类似于光的特性。 (2)能量高。动能与速度的平方成正比，频率与速度成正比 。因此能量与频率的平方成正比。 (3)传播特性。具有几何声学等特点， 传播过程中能发生反射，折射，散射， 绕射等现象。 (4)穿透能力。声波在各种媒质中传 播时，媒质要吸收掉它的一部分能量， 随着传播路程的增加，声波的强度会逐 渐减弱。
现代医学成像按其信息载体可分为以下几种基本类型： （1）X线成像：测量穿过人体组织、器官后的X线强度； （2）磁共振成像：测量人体组织中同类元素原子核的磁共振信号； （3）核素成像：测量放射性药物在体内放射出的γ射线； （4）超声成像：测量人体组织、器官对超声的反射波或透射波； （5）光学成像：直接利用光学及电视技术，观察人体器官形态； （6）红外、微波成像：测量体表的红外信号和体内的微波辐射信号。
生物医学信号处理
1.生物医学简述1.1生物医学信号概述生物医学信号是人体生命信息的体现，是了解探索生命现象的一个途径。
因此，深入进行生物医学信号检测与处理理论与方法的研究对于认识生命运动的规律、探索疾病预防与治疗的新方法以及发展医疗仪器这一高新技术产业都具有极其重要的意义。
国内外对于生物医学信号检测处理理论与方法的研究都给予极大的重视。
人体给出的信号非常丰富，每一种信号都携带着对应的一个或几个器官的生理病理信息。
由于人体结构的复杂性，因此可以从人体的不同的“层次”得到各类信号，如器官的层次、系统的层次以及细胞的层次,这些信号大致分为电生理信号、非电生理信号、人体生理信号、生化信号、生物信息以及医学图像[1]。
1.2生物医学信号的特点生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，从信号本身特征、检测方式到处理技术，都不同于一般的信号。
⑴信号弱，如心电信号在mV级，脑电信号在µV级，而诱发电位信号的幅度更小。
⑵噪声强，人体是电的导体，易感应出工频噪声；其次是信号记录时受试者移动所产生的肌电噪声，由此引起电极移动所产生的信号基线漂移。
另外，凡是记录中所含有的不需要成分都是噪声，如记录胎儿心电时混入的母亲的心电。
⑶随机性强且一般是非平稳信号，由于生物医学信号要受到生理和心理的影响，因此属于随机信号。
⑷非线性，非线性信号源于非线性系统的输出，人体体表采集到的电生理信号都是细胞膜电位通过人体系统后在体表叠加的结果，因此这些信号严格地说都是非线性信号，但目前都是把他们当作线性信号来处理[2]。
2.生物医学信号的检测生物医学信号检测是对生物体中包含地生命现象、状态、性质和成分等信息进行检测和量化地技术，涉及到人机接口技术、低噪声和抗干扰技术、信号拾取、分析与处理技术等工程领域。
绝大部分生物医学信号都是信噪比很低地微弱信号，且一般都是伴随着噪声和干扰地信号,对于此类信号必须采用抑制噪声地处理技术。
医学影像成像的基本条件
生物过程和疾病机制。
单细胞分析利用了显微技术和细胞分离技术等手段，通过观察单个细胞 的形态、结构和功能等信息，可以深入了解细胞生物学和疾病发生机制。
03
医学影像成像的基本条件
MRI（磁共振成像）利用了磁 场和射频脉冲对氢原子进行 激励，通过测量氢原子核的 自旋共振信号，可以重建出
物体的内部结构。
超声成像利用了超声波在人 体组织中的传播和反射特性， 通过测量反射回来的超声波 信号，可以获取物体的内部
结构信息。
医学影像成像的化学基础
医学影像成像的化学基础主要包括放射性药物和荧光染料等。这些化学物质被广泛 应用于医学影像技术中，如放射性核素成像和荧光显微镜等。
医学影像成像技术主要包括X射线成像 、超声成像、核磁共振成像、正电子 发射断层扫描和单光子发射断层扫描 等技术。
医学影像成像技术的发展历程
1895年，德国物理学家伦琴发 现了X射线，开启了医学影像 成像技术的历史。
20世纪50年代，计算机技术的 引入，使得医学影像成像技术 从模拟时代进入数字时代。
环境温度
保持稳定的室内温度，避免设备 因温度变化而产生误差。
环境湿度
保持适宜的室内湿度，避免设备因 湿度过高或过低而污垢对 设备造成损害。
医学影像成像的技术质量控制
图像采集参数
根据不同检查部位和需求，合理设置图像采集参 数，如曝光时间、增益等。
图像处理技术
应尽量减少医学影像中的伪影和 噪声，以提高诊断的准确性。
04
医学影像成像的质量控制
医学影像成像的设备质量控制
设备性能
背散射成像原理
背散射成像原理背散射成像技术是一种广泛应用于材料科学、生物医学、安全检测等领域的无损检测技术。
它通过测量物质对入射粒子的背散射信号来获取物质的内部结构、成分等信息。
近年来，随着粒子探测器、计算机技术和数据分析方法的发展，背散射成像技术在分辨率、灵敏度和成像速度等方面取得了显著进步，为各领域的科学研究和技术应用提供了有力支持。
一、背散射成像基本原理背散射成像基于粒子与物质相互作用的原理。
当入射粒子（如X射线、中子、电子等）撞击物质时，它们会与物质原子或分子发生相互作用，包括散射、吸收等过程。
其中，背散射指的是入射粒子在物质中经过一次或多次散射后，以与入射方向相反的方向逸出物质的现象。
背散射成像系统通常由粒子源、准直器、探测器、数据采集与处理系统等部分组成。
粒子源产生入射粒子，准直器将粒子束整形并指向待测物体，探测器测量背散射粒子的能量、角度等分布，数据采集与处理系统对测量数据进行处理并重建图像。
在背散射成像过程中，入射粒子与物质相互作用的机制决定了背散射信号的特征。
不同物质对入射粒子的散射和吸收能力不同，因此背散射信号的强度、能谱等特征反映了物质的内部结构、成分等信息。
通过测量背散射信号并分析其特征，可以实现对物质的无损检测和成像。
二、背散射成像技术分类根据入射粒子的种类和能量，背散射成像技术可分为多种类型，如X射线背散射成像、中子背散射成像、电子背散射成像等。
各种成像技术具有不同的特点和应用范围。
1. X射线背散射成像：X射线背散射成像利用X射线与物质原子的内壳层电子相互作用产生的康普顿散射信号进行成像。
它具有穿透力强、分辨率高等优点，适用于对较厚物质或高密度物质的检测。
在医学领域，X射线背散射成像技术已广泛应用于骨骼、牙齿等硬组织的检测和诊断。
2. 中子背散射成像：中子背散射成像利用中子与物质原子核的相互作用产生的散射信号进行成像。
由于中子对轻元素（如氢、碳、氮等）敏感，且能够穿透较厚的物质，因此中子背散射成像在材料科学、能源、安全检测等领域具有广泛应用。
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生物成像技术的物理基础与信号处理方法
生物成像技术是一种应用广泛的技术，可以在生物医学研究、
临床诊断中发挥重要作用。
这种技术涉及到多种物理原理和信号
处理方法，我们一起来了解一下。
一、光学成像技术
光学成像技术是一种常用的生物成像技术，主要利用了光与物
质的相互作用原理。
其中，光学显微镜和光学相干断层扫描成像（OCT）技术是其中比较重要的技术。
光学显微镜主要是通过光学透镜将样品中的光汇聚到成像面上，通过像差改正、畸变校正等技术，来提高成像质量。
同时，还可
以利用荧光成像技术和双光子成像技术等方法来获得更高分辨率
的图像。
OCT技术则是通过测量不同深度处反射光的时间差，绘制出目
标物体的断层结构。
这种技术可以对生物组织进行高分辨率非侵
入性成像，被广泛应用于眼科、心血管疾病等领域。
二、放射性成像技术
放射性成像技术依赖于某些放射性同位素（如碘、铊等）发出
的不同种类的辐射，通过探测器进行检测和测量，来获得生物体
内组织结构和功能信息。
其中，单光子发射计算机断层扫描
（SPECT）和正电子发射计算机断层扫描（PET）是常用的放射性成像技术。
一般来说，SPECT技术是通过一些放射性同位素的发射轻微的
单个光子而实现成像的。
而PET技术则是采用放射性同位素发射
正电子，并与电子形成正电子-电子对，通过测量正电子对的衰变
方式、衰变路径等特性来进行生物组织成像。
三、磁共振成像技术
磁共振成像技术是依靠对生物体内的核磁共振信号进行扫描，
来获得组织的结构和功能信息。
该技术主要利用了核磁共振现象，即当原子核与外界磁场和电磁波作用时，会发出信号，通过对这
些信号的检测和测量，可以得到人体组织结构和物理属性的信息。
磁共振成像技术是一种高分辨率、非侵入性的成像技术，可以
提供更多的生物物理信息，因此被广泛应用于临床医学、神经科
学等领域。
其中，核磁共振波谱成像技术（MRSI）和磁共振弥散
张量成像技术（DTI）等更高级别的技术，也可以对生物体健康状态、代谢活动、神经系统等进行更加精细的分析和研究。
四、信号处理方法
在各种生物成像技术中，信号处理方法是不可或缺的技术手段。
其中，滤波技术、图像处理技术、数据分析技术等技术，都可以
对成像数据进行优化处理。
滤波技术可以对信号进行降噪、衰减无用信号等处理，提高成像质量。
图像处理技术可以在得到高质量图像的基础上，进行去模糊、分割、重建等处理，使得图像更加清晰、更具有生物学意义。
数据分析技术则是通过对成像数据进行模型建立、分析、回归等处理，来提取出生物学变量和特征，用于研究和诊断。
总之，生物成像技术是一种多学科交叉的技术领域，需要我们对其物理原理和信号处理方法有更深入的了解和掌握，才能更好地将其应用到生物医学研究、临床诊断等领域。
同时，我们也需要不断地推动技术创新、发展新的成像技术，为人类健康事业的发展做出更多的贡献。