分子医学影像（共11篇）
分子医学影像 篇1
1 研究背景
分子影像学(Molecular Imaging,MI)的概念是美国哈佛大学Weissleder[1]于1999年首次提出,即应用影像学的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。分子影像学利用影像探针,对分子生物学和生物化学层面的信息进行在体成像和综合分析。从临床角度看,分子影像学的内涵是借助现代影像学技术,从分子水平研究和观察疾病的发生、发展中病理生理变化和代谢功能改变。它使得传统的医学诊断方式发生了革命性变化,已成为预警、早期诊治疾病最具有应用前景的医疗新技术、新方法和新手段。
分子医学影像涉及多方面技术,本文主要对分子医学成像设备、分子探针以及靶点筛选技术的研究概况进行综述概要,并对其临床和研究中的应用做初步的分析与探讨。
2 分子医学影像设备的研究进展
在过去的几十年里,分子医学影像设备有了突飞猛进的发展。针对不同研究目的,也有多种新兴的成像模态应运而生。这些模态主要包括:计算机断层成像技术、磁共振成像技术、核医学成像技术及光学成像技术。下面,将对这几种主要的成像技术发展及其临床应用进行综述和探讨
2.1 计算机断层成像技术
计算机断层成像技术(CT)依赖于不同组织器官对X射线的衰减系数不同而成像。世界上首台临床应用的CT设备于1971年9月安装在Atkinson-Morley医学院[2],此后的数十年间,计算机断层成像技术经历了五代改进发展,不断缩短扫描时间和提高性能。1987年,西门子推出了第一台螺旋CT,实现了连续扫描,把CT技术推上了一个新的水平,目前已成为CT的主流技术。在20世纪90年代末,多排CT(MDCT)问世[3],较高的时间分辨率和轴向分辨率使其在心脏成像中独具优势。但其高辐射剂量仍是限制它应用的一个主要因素,相关技术有待改进。在多排CT设备基础上,CT技术上又有一新突破,即双能CT,通过两种不同能量的X射线穿透物体成像,根据不同物质能量吸收曲线的差异,准确地推算出该物体的成分构成[4]。它能够根据物质成分的不同,有区分性进行组织成像,而不再是仅依赖于衰减系数。目前双能CT主要用于肾脏病变诊断[5]、尿路结石与钙化的区分[6]和骨密度成像[7]。
CT成像具有分辨率高(临床CT:0.5～1.0 mm,小动物CT:0.05～0.2 mm)、成像速度快、设备简单等特点,在人体成像与小动物成像中均得到了广泛应用。然而,CT成像过程中的高辐射剂量,是限制它在临床应用中的一个主要因素。此外,它对软组织成像的分辨率较MRI相比仍有较大差距,且需要借助碘造影剂,因此对肾脏功能有毒性作用,不能适用于所有患者[8]。
2.2 磁共振成像技术
磁共振成像技术(MRI)利用生物体内原子核在磁场内共振产生的电磁信号,对生物体的内部结构和软组织形态进行重建。通过应用不同的脉冲序列,可提供软组织的多种图像信息,例如动态增强磁共振成像技术(DCE-MRI)、弥散加权磁共振成像技术(DW-MRI)、血氧依赖水平磁共振成像技术(BOLD-MRI)等。除了能够对组织结构成像,在磁共振成像设备基础上发展而来的核磁共振波谱技术(MRS),可以测定物质的分子结构和成分,在临床中能够物质的获得人体多种生化物质的核磁共振波谱信息,测定其成分及含量变化,例如,胆碱、乳酸盐、磷脂等。临床主要用于研究中枢神经系统疾病[9]、肿瘤[10]及骨骼肌肉失调[11]等。
磁共振成像技术的空间分辨率较高,临床磁共振成像可达到1 mm分辨率。与CT成像相比,磁共振图像无需增强造影剂,即可对软组织成像有较好的对比度;相比CT和2.3章节中的核医学成像技术,磁共振成像是一种无损伤性检查,使患者免于电离辐射和同位素辐射的危害;相比光学成像技术,磁共振成像技术不受成像深度限制[2]。但是磁共振成像技术的灵敏度较低,需要大量成像介质和较长的扫描时间;其时间分辨率较低,难以实现动态成像。
2.3 核医学分子医学影像技术
核医学成像技术主要包括正电子发射计算机断层成像技术(PET)和单光子发射计算机断层成像术(SPECT),可以提供实现全身三维成像,观测分子水平的生理代谢变化。
2.3.1 正电子发射计算机断层成像技术
正电子发射计算机断层成像技术(PET),将正电子放射性核素标记的示踪剂注入体内或器官,核素发生衰变和湮灭,对符合事件记录,从而进行代谢成像。目前对PET的研究主要集中在发展新的探测器技术,以获得较高的空间分辨率。近年来,随着新型闪烁晶体和光电器件的使用[13,14],飞行时间技术(TOF)成功应用于PET系统,提供更多的准确信息,减少了重建图像噪声[15];同时,电子学技术的精进,能够获取多晶体探测器中深度作用信息(DOI),提高了对核素作用定位的精确性[16]。
PET通过响应线(LOR)进行电子准直,具有较高的空间分辨率:临床PET的空间分辨率为4～6 mm,用于脑部成像的PET分辨率约为2.5 mm;预临床研究的小动物PET空间分辨率可达到1～2 mm[17]。临床PET主要通过18F标记的FDG进行肿瘤检测、分期和预后。
2.3.2 单光子发射计算机断层成像技术
单光子发射计算机断层成像技术(SPECT)检测放射性核素在人体或器官中的分布并对其进行成像。SPECT是由伽马相机发展而来,用99Tcm、123I等同位素药物进行平面成像、断层成像或全身成像。
为了突破像素尺寸对空间分辨率的影响,1999年Weber设计的针孔准直器用于小动物SPECT设备[18]。但是单针孔准直器的灵敏度比较有限,在此基础上Ochoa、Meikle[19,20]等人设计了多针孔方案和针孔编码算法,在提高分辨率的同时保证较高的灵敏度。近十年来,晶体制造和半导体工艺的成熟,使得像素化的晶体在SPECT中广泛应用,许多课题组在研制基于新型晶体的探测器设备,例如可以直接探测射线、无需光电信号转换的碲锌镉(CZT)探测器[21],利用康普顿效应直接记录γ射线的多晶体探测器[22]等。
在临床诊断中,SPECT因其价格低廉、设备结构相对简单、特异性高,且适用于多种核素标记探针,在全身骨扫描、脑灌注成像和心肌灌注成像等检查中得到广泛应用。
2.4 超声成像
超声成像设备发射高频声波,通过采集生物组织反射回来的超声波,并结合重建算法,来进行成像。超声技术既可以作为诊断设备用于成像,也可以用作治疗工具。提高发射的声波频率越高,可以提升分辨率,但是其成像深度随之降低,超声成像主要适用于软组织成像,反应不同组织的机械性质差异,图像的对比度比较低,并受到超声散斑的影响。但在临床,超声成像仍是普遍使用的检查手段,其优势在于时间分辨率高,能够实时成像,提供定量信息,借助微泡造影剂具有较好的灵敏度,无放射性危害。目前用于超声成像的微泡主要有两类:气体微泡和磷脂微泡[23],用以对微脉管系统显像。在预临床研究中,靶向微泡研究主要集中在炎症[24]和血管生成[25]。Willmann课题组[26]使用双靶向微泡造影剂,靶向血管生成过程中的两种不同抗体标记,在卵巢肿瘤研究中取得较好结果,明显优于单靶向成像结果。随着分子合成技术的发展,通过在微泡造影剂表面附着上特定的抗体、多肽或者其他靶向分子,使用超声成像技术即可以对特定的生理过程进行成像,达到分子医学成像的效果。
2.5 光学分子影像技术
光学分子医学影像主要包括荧光成像、切伦科夫成像等。光学成像设备对光学分子探针发出的光信号进行分析处理,得到光学分子探针的位置与浓度信息,从而实现对光学分子探针相关的生理过程成像[27,28]。
2.5.1 荧光分子成像
荧光分子成像利用荧光探针对体内标定的蛋白进行成像,基于发光方式可分为自发荧光[29]和激发荧光[30]。20世纪90年代起,随着荧光蛋白在基因表达中的成功表达与复制,使得荧光成像在分子医学领域中开始了一个崭新的发展阶段,主要应用包括基因在细胞中的表达[31]、标记蛋白的表达与作用过程[32]、监测肿瘤发展与转移[33]。
随着研究的发展,二维荧光分子成像已经不能满足对深层组织分子影像的要求。20世纪90年代后期出现的荧光分子层析成像(FMT),是一种对生物组织光学特性参数进行成像的近红外光学散射断层成像技术。2002年哈佛医学院/麻省总医院首次利用激发荧光层析成像对裸鼠脑部神经胶质瘤进行了在体观测[34],显示了利用荧光成像进行分子影像研究的诸多优点,从此荧光层析成像成为分子影像中的一个重要手段。
荧光成像技术虽然具有灵敏度较高、成本低、无电离辐射、能进行长期定量监测等诸多优点,但是由于成像深度受限,荧光蛋白毒性仍有待研究,目前在临床应用中并不广泛,主要用于动物模型研究。近几年,随着成像设备技术的改进,荧光成像在逐步向临床转化,例如将双轴内窥镜[35]和手持式光学成像仪[36]与荧光显像剂的结合,可以用来疾病筛查和早期诊断。
2.5.2 契伦科夫荧光断层成像
契伦科夫荧光断层成像(CLT)是基于契伦科夫效应的分子影像技术,继承了分子核医学的高灵敏和光学分子影像的低成本特征,使用同一探针同时进行功能与结构信息成像[37],具备临床应用价值。CLT的基本流程是光学分子影像设备多角度采集医学同位素诱发的契伦科夫光子,基于解剖结构信息进行三维图像的重建。虽然契伦科夫效应早在20世纪初就已经发现[38],直到2009年Robertson课题组通过18F-FDG对小鼠进行契伦科夫荧光断层成像,通过与PET结果对比,验证了契伦科夫成像。同时一系列放射性同位素在CLT的应用仍在研究中[39]。
2.6 光声层析成像
光声层析成像(PAT)是一种新兴的生物医学成像模态,结合了传统光学的高对比以及超声成像深层高分辨率,探测组织吸收激发电磁波后热膨胀所产生的超声信号。PAT有主要两个子模态:光声显微成像(PAM)和光声计算机层析成像(PACT)。在PAT成像中,生物组织吸收光子后能够对外发射超声波,而生物软组织对超声波的散射要远小于对光的散射,因此PAT能够突破光散射对高分辨率光学成像的壁垒[40]。用光声成像的对比造影剂类型广泛[41],实现了多尺度高分辨率的生物结构成像;成像深度相比光学成像有明显的优势,有较高的信噪比;同时PAT具备光谱成像能力,对组织光吸收具有很高的灵敏度。作为一种新兴的小动物层析成像模态,PAT很好地完成了小鼠、斑马鱼等小动物的层析成像。但是相比CT、核医学等典型成像技术,PAT的成像深度仍比较有限,目前还未能广泛用于人体成像。Wang等课题组最近研究发现PAT可以测定活体组织局部环境参数,包括pH值[42]、含氧量[43]等,未来可以向临床应用的血氧监测、血流多普勒测量和多尺度活体成像等方面进行转化与应用。
3 多模态分子医学成像
为了能够得到包括解剖结构、生理过程、遗传信息等在内的综合图像信息,同时提高疾病诊断的准确性和精确性,多模态分子医学影像技术应运而生。多模态分子影像技术可实现不同影像设备的优势互补,使获取的影像结果更精确、更可靠。临床实践已证明,多模态分子医学影像设备在重大疾病的早诊早治、治疗方案的制定、治疗效果的验证与评估中发挥着重要作用[44]。因此,研发多模态分子影像设备逐渐成为业内的研究热点,主要是将较为成熟的成像模态如CT、PET、SPECT、光学分子影像、MRI进行结合,研制开发信息更全面的多模态分子医学影像设备。以下对典型的多模态分子医学影像系统进行简述。
3.1 核医学与解剖成像融合系统
1992年,Beyer T等人首次实现了PET/CT两模态融合[45],在短短三年内完成了从研究设想到临床应用的过程,于2001年正式推出成熟的临床PET/CT产品[46]。截至2008年,全球临床PET/CT设备已多达3000台,主要用于重大疾病的分期诊断和预后评估,成为临床广泛认可的多模态分子医学影像[47]。在此期间,SPECT与CT的同机融合技术也日趋成熟。2005年6月Gamma Medica在加拿大多伦多召开的核医学年会上推出了世界首台专门用于小动物成像的Triumph Micro PET/SPECT/CT三模态成像设备,提供了一个灵活性高、可扩充性、可组合性的三模态分子影像平台。几乎同时期,Christensen等人提出将PET与MR融合成像,但由于PET探测器对强磁场极敏感,其发展远慢于PET/CT和SPECT/CT,直到2006年,第一幅人脑PET/MRI图像诞生[48],PET/MRI开始成为临床多模态分子成像领域的焦点。
3.2 光学与解剖成像融合系统
2008年,Davis等人通过光纤将FMT系统耦合到一台飞利浦MRI设备,能够同时获取FMT和MR采集的数据,验证了MRI提供的先验结构信息可以提高FMT的重建质量[49]。2010年,Shulz和X.L.Guo分别成功将FMT与CT融合为一体,实现了FMT/CT双模态集成成像。近年,中国科学院自动化所田捷教授课题组研发的小动物光学多模融合分子医学影像设备,将BLT/CLT/CT/FMT/PET五种模态进行集成[50],实现了反映细胞分子水平生理病理变化的荧光光源的精确快速在体重建,构建多源影像信息融合与计算平台,以乳腺癌为病理模型进行疾病早期诊断的研究和抗肿瘤药物疗效评估。
3.3 核医学、光学成像融合系统
2013年,北京大学任秋实教授领导的科研团队研制出一套包括X-ray CT、PET、SPECT、FMT四个模态具有自主知识产权的多模态分子医学影像原理验证样机[51],其中的PET、SPECT核素成像能够反映同位素标记的化合物在病变组织内的代谢过程,获得血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等生理生化定量信息;荧光成像具有较高的特异性,能够区分代谢高表达的肿瘤与炎症组织,弥补核素成像的不足。四模态小动物分子医学影像技术的发展将为解决重大疾病的新药研制及生物医学研究提供新方法、新工具和新思路。
多模态分子成像技术为临床研究者提供了丰富的信息,可以从多角度、多维度的观测生理过程,为临床诊断提供了更全面的影像信息。虽然多模态的分子影像系统已经得到了广泛研究和报道,但大多数仍是原理样机,相应的设备产业化还有待进一步完善,以提高在临床应用中的可靠性和稳定性。
致谢
该项目由国家重大科学仪器专项(2011YQ030114),国家基础研究计划973项目(2011CB707500),国家自然科学基金(11104058),和河北省自然科学基金(A2011201155)支持。
分子医学影像 篇2
【课程名称】分子影像学 【课程类型】专业课 【授课对象】医学影像学专业 【课程代码】71102117 【学时学分】理论24学时，实验4学时，1.5学分
一、课程简介
分子影像学是现代医学影像学与分子生物学相结合的新兴交叉学科，代表了未来医学影像学的发展方向。如果上个世纪医学影像学发展的主要动力来自物理学和计算机科学的话，本世纪的主要影响因素将来自基因组学和生物化学，因此分子影像学是现代医学、生命科学与现代高科技发展的必然产物，将成为影像学发展史上一个里程碑式的重要阶段。分子影像学概念最早是在1999年由Weissleder首先提出的，经过不断研究与完善，当今对分子影像学的定义如下，是在活体状态下，在细胞和分子水平应用影像学方法对生物过程进行定性与定量研究的一门学科，与传统的医学影像学相比，它着眼于生物过程的基础变化，揭示疾病细胞、亚细胞或基因分子水平上的改变，而不是这些基因分子改变所导致的最终结果。本课程的教学目的就是使学生在一定程度上了解和关注这门最新学科发展与动态，并获得本学科的基础理论、基本知识与基本方法。通过本门学科的教学，要求学生能达到：熟悉分子影像学的概念与成像基本原理及成像的条件；了解光学分子成像的基本知识；掌握磁共振与核医学分子成像的基本原理、基本条件与临床应用；了解超声分子成像的基本原理与应用；熟悉分子成像在肿瘤研究、神经系统、心血管系统以及基因治疗方面的应用等。本学科为医学影像学重要的进展课程，暂列为必修的考查课程。
在教学过程中应以辩证唯物主义思想作指导，注重理论与实践结合，分子生物学与影像学的结合，强化先进技术服务于临床以及科学发展的观点。教学过程中要培养学生严肃的科学态度、严格的科学作风和严密的科学方法。
本学科要求达到的基本技能：（1）通过本课程的学习要求学生能够掌握汲取现代影像新知识新技术的学习能力。在听讲时扼要记笔记，有效使用教学大纲、教科书和实习指导，并能上网查阅有关资料。（2）要求熟悉MRI、PET-CT与超声等现代新的影像成像设备能熟练使用和维护光学显微镜。（3）要求熟悉本课程中部分常用英文专业名词。
选用教材：申宝忠主编 《分子影像学》人民卫生出版社，第1版
主要参考资料：王世真主编 分子核医学 中国协和医科大学出版社 第2版
二、教学内容与要求
第一章 分子影像学概述
（一）目的与要求
1．掌握分子影像学的概念和范畴。
2．掌握分子影像学的成像原理与成像条件。3．熟悉分子成像的常见类型。
4．了解分子影像学的产生与发展历史。
（二）教学内容
1．分子影像学的概念与范畴。2．分子影像学的产生与发展。3．分子影像学的成像原理。4．分子成像的基本条件。5．分子成像的常见类型。
（三）思考题：
1．何谓分子影像学？与常规影像学的内涵有何不同？ 2．分子影像学成像的原理有哪几种方法？ 3，分子成像的基本条件有哪些？
第二章 分子影像学相关基础知识
（自学）
第三章 光学分子成像
（一）目的与要求
1．了解光学分子成像的基础知识与基本原理。2．了解生物发光成像的基本原理与过程。3．了解近红外线荧光成像的基本原理与应用。
（二）教学内容
1．光学分子成像的概述与基本原理。2．生物发成像。
3．GFP光学分子成像（自学）。4．近红外线荧光成像。
（三）思考题：
光学分子成像有哪些方法及其临床应用？
第四章 磁共振分子成像
（一）目的与要求
1．掌握磁共振分子成像的步骤与基本原理。2．掌握磁共振分子成像的应用。
3．熟悉磁共振分子成像的探针与报告基因。4．了解微磁共振成像。
（二）教学内容
1．磁共振成像的基础知识。
2．磁共振分子成像的步骤与基本原理及常用对比剂。3．磁共振分子探针。4．磁共振报告基因成像。5．MR分子成像的应用概况。6．微磁共振超成像。8．功能磁共振成像常用技术。
（三）思考题：
1.磁共振分子成像的步骤与基本原理是什么？ 2.何谓磁共振分子探针？
3磁共振报告基因成像有哪些系统？ 4.磁共振分子成像有哪些临床应用？
第五章 超声分子成像
（一）目的与要求
1．熟悉超声分子成像的概念与基本原理。2．了解超声分子探针及其作用原理。3．了解超声波与微泡和组织相互作用。4．熟悉超声分子成像的应用概况
（二）教学内容
1．超声分子成像的概念与基本原理。2．超声分子探针及其作用原理。
3．超声波与微泡和组织的的相互作用原理。4．超声分子成像的应用概况与前景展望
（三）思考题：
1．什么是超声分子成像的概念及其基本原理？ 2．超声分子探针与微泡的作用原理与临床应用有哪些？
第六章 核医学分子成像
（一）目的与要求
1．了解PET的成像基本原理。
2．熟悉PET及PET/CT分子成像的原理。3．熟悉PET及PET/CT分子成像的应用及其优势。
（二）教学内容
1．PET成像的基本原理与PET/CT的优势。2．PET及PET/CT分子成像的基本原理与方法。3．PET及PET/CT分子成像的应用概况。4．PET及PET/CT分子成像的优势。
（三）思考题：
1．PET与PET/CT有何不同？其成像基本原理？
2．PET及PET/CT分子成像的应用与优势有哪些（与MRI分子成像比较）？
第七章 分子成像在肿瘤研究中的应用
（一）目的与要求
1．掌握肿瘤的各种受体成像的方法与原理。2．熟悉肿瘤的各种酶成像与代谢成像。3．掌握肿瘤血管生成的成像方法与原理。3．了解肿瘤免疫成像与基因成像。
（二）教学内容
1．肿瘤的受体成像（PET、MR等）。
2．肿瘤的酶成像（光学、磁共振与PET/CT）。3．肿瘤的代谢成像。4．肿瘤的免疫成像。5.肿瘤血管生成的成像。6.肿瘤基因成像。
（三）思考题：
1．肿瘤的受体成像有哪些方法及其原理？
2．肿瘤的酶成像与代谢成像有哪些方法及临床价值？ 3．肿瘤血管生成的成像方法有哪些？
第八章 分子成像在神经与心血管系统的应用
（一）目的与要求
1．了解分子成像在神经系统的应用范围。2．熟悉分子成像在动脉粥样硬化的应用。3．熟悉血栓形成的分子成像。
（二）教学内容
1．分子成像在神经系统的应用。2．分子成像在心脏疾病研究中的应用。3．动脉粥样硬化的分子成像与应用。4．血栓形成成像。
5．不同分子影像技术应用于心血管系统的优缺点。
（三）思考题：
1．动脉粥样硬化的分子成像方法有哪些及其临床应用。2．血栓形成成像的方法有哪些及其优缺点？
第九章 细胞示踪技术的应用
（一）目的与要求
1．了解细胞影像学的标记方法与应用。
2．了解细胞示踪技术在细胞移植与肿瘤研究中的应用。
（二）教学内容
1．细胞影像学的标记（MR、核医学与光学方法）。2．细胞示踪技术在细胞移植治疗中的应用。3．细胞示踪技术在肿瘤研究中的应用。
（三）思考题：
1.细胞影像学的标记方法有哪些？
2．细胞示踪技术在细胞移植治疗中和肿瘤研究中有哪些应用？
第十章 分子成像与基因治疗
（一）目的与要求
1．熟悉基因治疗的基本步骤、方法与导入方式。2．熟悉分子成像在肿瘤基因治疗中的应用。3．了解分子成像在血管内基因治疗中的应用。
（二）教学内容
1．基因治疗：基本步骤、治疗方法、治疗策略与导入方法。2．分子成像在肿瘤基因治疗中的应用。3．分子成像在血管内基因治疗中的应用。
（三）思考题：
1．何谓基因治疗？基因治疗的步骤、方法与导入方法有哪些？ 2．分子成像在肿瘤和血管内基因治疗中的应用有哪些？
三、实验内容与要求
（一）目的与要求
通过实验见习临床上常用的分子影像学的成像设备，掌握其结构与原理，熟悉其临床应用原则与注意事项。
（二）实验内容
一、参观演示高档磁共振（MRI）设备原理及其工作过程。
二、参观演示高档PET-CT设备原理及其工作过程。
三、参观演示超声成像仪的原理与工作过程。
四、教学时数分配
（一）理论课学时分配 章节 一
理论课内容
分子影像学的概述及相关知识
学时 4 4 4 4 4 4 24 三、四 光学与磁共振分子成像 五、六 超声与核医学分子成像 七 十 总学时
（二）实验课学时分配 序号 1 2 3 总学时
实验课内容
磁共振（MRI）设备原理及其工作过程 PET-CT设备原理及其工作过程 超声成像仪的原理与工作过程
实验类型 演示性 演示性 演示性 分子成像在肿瘤研究中的应用
细胞示踪技术应用、分子成像与基因治疗 八、九 分子成像在神经与心血管系统中的应用
优质小分子团水转化医学十三年 篇3
我于1990年患高血压后，因担心像父辈一样患中风瘫痪或心梗，为了健康的需要开始研究医学和生命科学。我受中国基础医学研究优秀成果的启发，发明了离子水瓶，处理水经核磁共振检测为55.82赫兹的优质小分子团水。该品于1994年初送给三家省级医院对心血管病患者做临床观察，后经北京和广西医学专家鉴定，认为“降脂降压效果好”，“能扩大心脑动脉流量，改善心脑电图以及微循环”，“对治疗心脑动脉粥样硬化和高血脂、高血压有良好的医疗保健作用。”我于2000年退休后，将该产品注册为准字号医疗器械上市，率先转化为医学应用。十三年来一直对用户承诺疗效，长期跟踪调查，得到大量患者的反馈，治愈率很高，普遍反映真正治愈了冠心病、脑动脉粥样硬化、高（低）血压和糖尿病。患者饮用2至5个月内，消除症状，血压正常。冠心病患者饮用3～5个月逐渐减轻至消除心绞痛、房颤等各种症状，饮用1年左右心电图正常，经冠脉造影扫描无明显狭窄，表明冠心病痊愈。同时还逐渐修复衰弱器官，使前列腺增生、慢性咽喉炎、慢性气管炎、支气管炎、慢性胃炎、肠炎和胆囊炎等不药而愈。糖尿病患者饮用半年至一年，血糖尿糖恢复正常，表明治愈2型糖尿病。（详见nnzk.com或gxnnzk.com）
为什么饮用优质小分子团水有以上神奇功效？因为人摄入的水和营养，都作用于细胞膜和细胞。细胞生活在细胞间组织液中。细胞膜上有水通道、离子通道和糖脂通道，与外界交换物质，吸收氧和营养，排出二氧化碳和废物。许多中老年人因摄入的主食、肉食常超过自身的需要量，使细胞内外的体液中糖类脂类成分过多，导致血脂、血糖和血黏度偏高，造成代谢紊乱，血浆中的脂质在动脉中沉积就形成粥样硬化，致患三高四病。美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农对细胞膜水通道和离子通道的进一步研究发现，代谢紊乱的患者是由于其细胞的糖脂通道和闸门受到损伤，糖类脂类物质不能正常地进出细胞，才使糖脂代谢发生紊乱，从而形成糖脂病。这两位科学家因为对通道结构和机理的开创性贡献，由此荣获2003年的诺贝尔化学奖。该成果发表后，全世界的药学家都在研究开发药物，以求打开细胞的糖脂通道，可是至今也没有研发出良药。
当糖脂病患者饮用优质小分子团水时，因此水内含五、六个水分子的簇团多，直径小于1.4nm，小于细胞膜上2nm的水通道，容易进入细胞，可使细胞重新充满活力，修复细胞膜上受损的糖脂通道，使细胞正常地代谢，排出其体内多余的糖脂和废物。同时配以合理膳食，体液就会逐渐正常，使细胞和体液健康而祛除糖脂病。这是中国基础医学和生命科学的研究成果转化为医学应用的范例，砸碎了“终身服药”的枷锁，成为人类健康的宝贵财富。
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分子影像学技术及其新进展 篇4
尽管在过去的20多年里，医学影像学的设备和技术有了显著的进步，但都是通过非特异性的成像手段进行疾病的诊断，如组织的物理特性(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，图像不能显示分子生物学的改变与疾病的关系。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，此时往往已错过了治疗的最佳时机。
1999年美国哈佛大学Weissleder等人首次提出了分子影像学(molecular imaging)的概念，即应用影像学方，在特异的分子探针的帮助下，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。分子影像学是从生理、生化水平显像,从而达到认识疾病、阐明病变组织生理过程的变化、病变细胞的基因表达、代谢活性的高低、病变细胞是否存活以及细胞内生物活动的状态等目的。这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，真正做到早期诊断和治疗[2,3]。分子影像学代表了未来医学影像学的发展方向，其巨大潜力和不断发展将对现代和未来医学模式产生革命性的影响。
按探测方式的不同，分子影像学设备可以分为核素成像、磁共振成像、光学成像和超声成像四种。这些影像技术均有各自的利弊，但以PET的分子显像研究最具活力。
2 单一模式
在分子影像学发展的初期，通常采用单一设备进行成像。这样由于信息收集不充分，所得结果的可靠性不高。但这毕竟是分子影像学的开端，至今仍是分子生物学检查不可缺少的工具。
2.1 核素成像
核素成像的基本原理是将放射性同位素标记在人体所需的某种代谢产物上制成探针，将这种探针注入人体后，观察一定时间内同位素在体内的分布、代谢、排泄情况，以了解人体组织的某种特定功能。根据感兴趣分子与探针的不同，核医学显像可以分为代谢显像、抗体显像、受体显像、报告基因显像和反义显像。就设备本身而言，正电子发射断层成像术(Positron Emission Tomography,PET)和单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography,SPECT)是两种重要的成像手段。
PET成像在目前分子影像学研究中占据着极其重要的地位。按照放射性分布的绝对量用PET进行连续性扫描，根据动力学模型和图像数据，可对活体组织中的生理生化过程做出定量分析，如血流量、能量代谢、蛋白质合成、脂肪酸代谢、神经递质合成速度、受体密度及其与配体结合的选择性和动力学等。
PET设备由PET扫描仪、回旋加速器及放射性探针组成，经历了近一个世纪的缓慢发展过程。1976年专用PET开始正式进入全球医疗市场，用于基础科学研究。80年代开始，PET生产厂家CTI和Scanditronix分别与Siemens和GE公司合作，大公司的介入使PET扫描仪的发展进入了新的发展阶段。进入90年代后，随着分子生物学和分子医学的进步，正电子类示踪剂的独特生物学优势逐渐显露。多环探测器、模块化晶体、3D结构等多种新技术及新型的晶体材料的应用，使PET的射线探测能力和分辨率都有了明显的提高，促使了PET在临床的推广应用。PET开始走出研究室、实验室，成为临床医学影像技术之一，其临床检查主要集中于肿瘤、心脏和中枢神经三个方面。
在扫描仪发展的同时，回旋加速器的研制和正电子显像剂的临床应用也同样取得进展。小型回旋加速器的自动控制和显像剂的自动合成，使正电子核素的产生及正电子显像剂的合成更加简单、方便，机器的操作更加人性化、合理化和程序化，工作人员的辐射剂量也明显降低。18F-FDG在脑显像和心肌存活显像，尤其是在恶性肿瘤显像中的成功应用，使PET逐渐受到临床的青睐。1997年，美国FDA批准了18F-FDG的临床应用。1998年，美国健康卫生财政管理局(Health Care Financing Administration,HCFA)同意将多种18F-FDG PET适应症纳入了医保范围，获得了一张广泛临床应用的“绿卡”。
PET最重要的优势在于正电子核素是人体固有组成元素的同位素。这种核素可标记在生物活性中占主导地位的多种生物分子中，而不会改变标记分子的生物特性和功能，因此比一般SPECT所用的示踪剂更具生理性，其结果能更客观准确地显示活体的生物信息。SPECT和PET同为核素示踪的显像技术，但其空间分辨率和敏感性明显不及PET。由于扫描需要准直器，SPECT只能检测到身体发射的小部分γ—射线，影响了其探测的敏感性。另外，散射也降低了PET图像的空间分辨率。
2.2 磁共振成像
MR成像的优势在于高组织分辨率，同时可获得三维解剖结构及生理信息，正是核素成像所不具备的。但是MR分子影像学也有其弱点，它的敏感性较低，只有微克分子水平，与核医学成像技术的纳克分子水平相比低了几个数量级[4]。传统的MR是以组织的多种物理、生理特性作为成像对比的依据，分子水平的MR成像是建立在上述传统成像技术基础上，以在MR图像上可显像的特殊分子作为成像标记物，对这些分子在体内进行定位。
目前广义的磁共振分子成像包括扩散成像、灌注成像、狭义的磁共振功能成像和波谱成像四种，均能够显示活体状态分子水平的微观运动情况。
2.2.1 扩散成像
反映的是水分子扩散运动的状况，利用脉冲梯度磁场自旋回波技术，通过改变b值来改变水分子扩散运动的自由度，从而改变所得到的扩散加权相图像的信号强度，显示组织扩散程度的差异。目前，扩散成像在早期脑梗死的诊断价值已得到公认，在肝脏、肾脏的应用价值也不同程度地得到认识和研究。
2.2.2 灌注成像
使用对比剂团注首过法的起始强化时间、强化梯度、最大信号强度及最大强化时间等定量、半定量参数，分析毛细血管水平的血流灌注情况，反映生理与病理情况下组织的血流动力学改变，评估局部组织活力及功能。此多用于中枢神经或腹部肝脏系统的功能评价。
2.2.3 狭义的磁共振功能成像
这是以血氧水平相关效应为基础的磁共振成像。它的原理是局部组织受到相应刺激后，氧合血红蛋白与去氧血红蛋白相对含量发生改变，进而导致局部磁化率的相应变化，利用对磁感应敏感的成像序列，通过探测MR信号的变化来反映这种局部血氧变化的空间分布及动态过程。此种MR功能成像已用于中枢神经系统中，对人类感觉、认知等方面的探索。
2.2.4 磁共振波谱成像（MRS)
能用于观察活体从原子到分子结构。在组织细胞发生病变的过程中，在组织细胞本身及周围均会出现一些组织细胞代谢变化，酶或受体活性的改变，可以通过MRS监测活体组织细胞的这些变化，为疾病诊断和鉴别诊断提供依据。目前应用于基因表达的定量研究、肿瘤血管生成情况的评价和脑功能的研究。
磁共振成像通常根据磁场强度的高低，划分不同的档次。3T磁共振以其超高信噪比和日益稳定的运行性能，逐渐成为高端临床研究的主体手段，在分子影像学领域尤其受到青睐。
2.3 光学成像
光学成像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及荧光染料，在分子和细胞层面上对载体的特定生物过程进行定性和定量研究。光学成像目前主要有弥散光学断层成像、表面加权成像、共聚焦成像、近红外线光学断层成像、表面聚焦成像及双光子成像等。这些成像技术已广泛用于各种生物学研究，包括肿瘤学的研究中，实现对肿瘤生长、分布的在体跟踪，快速评价各种治疗方法的疗效。
光学成像是分子生物学基础研究最早、最常用的成像方法。由于光学成像设备相对简单，成像过程快，是临床前期分子影像设备重要组成部分。同MR、PET成像等技术相比，光学成像具有无创伤、高敏感性、成像价格低和近红外荧光穿透力强等优点。但光学成像技术穿透力有限，为数毫米到数厘米，目前仅用于小动物模型的研究。
2.4 超声成像
超声成像也是分子影像学方面的研究热点。在分子成像中，通过单克隆抗体、多肽分子等靶向微泡对比剂，用于心血管、肿瘤等的靶向诊断，血栓、粥样硬化斑块等的治疗，以及药物、基因的输送。靶向性造影剂是一种特殊类型的超声造影剂，是超声分子影像学发展的重要标志。微泡和声学活性物质，可作为超声成像靶向对比剂携带靶向配基，与活体细胞结合，用于分子成像或加入治疗。超声成像可发现早期疾病在细胞和分子水平的变化，有利于人们更早、更准确地诊断疾病，有助患者早期进行基因治疗或药物治疗等，以期从根本上治愈疾病。
3 复合显像模式
为了既能够早期发现疾病，又能够准确为临床提供定位、定量、定性和分期的资料，临床上逐渐出现了双模式或多模式的复合分子成像技术。
3.1 PET/CT和SPECT/CT
最具有代表性的复合模式，是将具有高分辨率的X射线多排螺旋CT和反映人体细胞、分子代谢功能的单光子或正电子发射型电脑断层仪有机结合在一起的设备，即SPECT/CT或PET/CT。这种联合型显像设备不但为SPECT和PET提供高分辨率的解剖结构图像，更主要的是提供了脏器功能和血流灌注的图像，从而提高了整个系统的检测灵敏度和图像分辨率[5]。SPECT/CT和PET/CT并不是简单的将CT和SPECT或PET简单组合，而是完全不同的全新的设备。
PET/CT全称正电子发射断层显像/X线计算机体层成像，是一种无创的分子显像技术，可在分子水平上显示全身器官和病灶的代谢特点。同时应用多层螺旋CT进行精确定位和辅助诊断，通过图像融合，同步取得人体解剖结构和代谢功能信息，进一步提高了影像诊断的准确性。国内自2002年引进第一台PET/CT分子影像设备以来，此设备拥有的数量迅速增长，到目前已经有近300台装机。
实际上PET-CT中的CT不仅起到衰减校正的作用，而且弥补了PET的解剖结构显示不清、特异性不高和空间分辨率低的不足，实现了对核医学影像的从“不清晰”到“清晰”的变化，提高了诊断医生对影像信息内涵的理解和信心。在此基础上进一步应用诊断性CT，能更加精确定位和定性，减少PET假阳性的误诊和假阴性的漏诊，提高了诊断的准确性
由常识可知，SPECT的平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。可以证明，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。这种断层成像术离不开计算机，所以出现了SPECT/CT。该设备中CT的主要功能是获取投影数据和重建断层图像。
3.1.1 复合显像德尔应用研究
PET/CT和SPECT/CT的发展，以及放射性药物的创新和开发，使核医学显像技术取得突破性进展，目前主要的研究方向包括：
(1)代谢显像目前研究较多的是己糖激酶和葡萄糖转运子表达显像、胆碱激酶显像、细胞增殖和内源性胸腺嘧啶激酶显像等。其中2﹣18F﹣2﹣脱氧﹣D﹣葡萄糖(FDG)显像是目前临床应用最广的PET/CT显像。FDG在结构上类似葡萄糖，如果细胞中的葡萄糖摄取增加，那么FDG的摄取亦随之增加。FDG PET CT目前已广泛用于临床肿瘤诊断。18F﹣3'﹣脱氧﹣3'﹣氟代胸腺嘧啶(FLT)是反映细胞增殖最常用的正电子显像剂，用于肿瘤、慢性炎症的鉴别诊断。11C﹣胆碱、18F﹣乙基胆碱和18F﹣甲基胆碱可用于肺部、头颈部、结肠、膀胱和前列腺癌的诊断。
(2)基因表达分子显像主要包括反义PET显像和报告基因显像。反义PET显像是利用正电子核素标记某一特定序列的反义寡脱氧核苷酸作为PET显像剂，经体内核酸杂交与相应的靶mRNA结合，通过PET显像，显示基因异常表达组织，反映目标DNA转录情况。反义显像是一种内源性基因表达显像。报告基因PET显像主要有酶报告基因PET显像和受体(或转运蛋白)报告基因PET显像两种方法。
(3)受体显像研究较多的受体系统有多巴胺能神经系统、5-羟色胺能神经系统、乙酰胆碱能受体、肾上腺素能受体等，其中研究最多的是多巴胺能神经系统。受体显像主要用于神经精神系统疾病(如帕金森氏病、阿尔茨海默病等)的鉴别诊断及治疗监控。PET/CT显像发展非常迅速，已成为分子影像学发展的重要标志[6]。
3.1.2 复合显像的优势
PET/CT和SPECT/CT的优势主要在以下几个方面：
(1)早期诊断疾病疾病的发展过程是首先出现代谢功能的改变，然后形成病灶，导致解剖结构异常，最后病人出现临床症状。PET/CT能从分子水平上反映人体存在的生理或病理变化，非常灵敏的探测到疾病早期的代谢异常，所以能早期作出诊断。
(2)结果更准确PET/CT一次检查就可以同时获得PET、CT以及PET/CT的融合图像。其中PET图像能提供有价值的功能和代谢方面的信息，CT图像能提供精细的解剖信息，医生可以同时从形态和功能两个方面进行诊断和鉴别诊断，这是以往的CT、MRI和单一的PET所不能比的，因此诊断结果更准确。
(3)全身快速检查大约20 min的检查过程，就可以了解全身各个器官的解剖和代谢情况。
(4)安全无痛苦PET/CT检查所用的核素主要是C、N、O、F等，他们大多为人体必需元素，在体内的代谢过程完全符合人体的生理状态，排泄快，安全无危害。
由于技术本身的成熟性和在临床上应用的时间足够长，各厂家的PET/CT或SPECT/CT均具备了比较完备的技术，之间差别并不明显[7]。
3.2 MR-PET
随着PET/CT在临床应用中的不断广泛和深入，设备本身的特点也越来越多地为专业人员所了解。C T本身存在大剂量的X线辐射，对软组织的分辨能力较差，在功能成像方面更是几乎一无所长。业内有识之士开始尝试研发更为先进的分子影像学设备，以进一步满足临床工作各方面的需求，MR-PET应运而生。
MR成像利用人体自身组织特性，不存在任何辐射损伤，具有极佳的软组织对比度，在反映解剖学和生理学信息方面具有其他影像学设备无可比拟的优越性，其波谱技术更是分子成像的重要组成部分。从这一角度而言，MR和PET彼此互补、相辅相成，能够全面了解人体结构、功能和代谢等的全方位信息，对于改进疾病的诊断和治疗具有重要价值。
最早将这一理念付诸实施的是Siemens公司，在2006年推出了BrainPET设备，将PET内核集成于MR磁体内，二者融为一体，能够对全脑的MR和PET信息进行同步采集。此设备先后在全球多个神经功能研究中心安装使用，为以后全身MR-PET的研发工作提供了重要的参考经验。
3.2.1 MR-PET组合全身显像技术的难点
尽管具有令人极为振奋的应用前景，但由于存在一些技术上的挑战，全身MR-PET的开发与PET-CT相比要缓慢得多。设计难点主要体现在以下几个方面：
(1)设备的整合空间MR-PET要求将PET内核整合入MR的磁体孔径内，然而常规MR设备均采用60 cm孔径，根本无法提供足够空间来容纳PET相对而言巨大的探测器。如果强行整合，则会导致扫描孔径过小，人体不能通过。如何进一步扩充MR的磁体空间，或者明显减小PET探测器的尺寸，成为首先需要解决的问题。
(2)磁场对PET的不良影响传统PET的探测器多采用光电倍增管(PMT)，即使很微弱的磁场也足以改变PMT的增益，使电子偏离原先的运动轨迹，导致PMT探测电子的损失。因此，常规的PMT在磁场中不能正常工作，必须开发一种新的PET探测模块，能不受磁场和射频场的影响，同时还不会影响到磁共振信息的采集。
(3)扫描范围的限制PET有一个很重要的优势，那就是全身快速显像。而常规的MR由于线圈及扫描野的限制，一次定位只能扫描一个部位;如需全身检查，则需对多个部位重新摆位和放置线圈，浪费时间暂且不提，更会导致扫描层面的错位。如何设计出全新的线圈和定位系统，完成快速、准确、高效的全身信息采集，成为MR方面遇到的最大挑战。
(4)衰减校正技术PET通常采用68 Ge柱状穿透源衰减校正技术，PET/CT则以CT穿透人体的射线吸收率作为衰减校正的计算工具。如何在没有穿透源和X线的环境下实现准确的PET信号衰减校正，以及如何最大程度的减少设备本身材料对于PET信号的吸收，也是亟待解决的技术问题。
由于以上所提到的众多困难，实现MR-PET设备全身显像几乎为不可能。正因为如此，在过去很长一段时间里，有的厂家给出了“妥协”的解决方案，实际上只是MR和PET两次完全不相关的扫描。
GE公司采用MR和PET的独立式设计，将二者安装在完全不同的两个房间，之间通过一张移动床进行患者转运，分别进行MR和PET的扫描。该方案2006年出现，没有独立的产品名称，不存在任何技术创新，只是简单的产品组合，无法为临床和科研提供新的支持。
Philips公司采用MR和PET的分离式设计，将二者安装在同一个房间，彼此相隔约3 m的距离，共用一张可180o旋转的检查床，分别进行MR和PET扫描。该方案同样不是新的产品设计，而且由于存在磁场屏蔽等问题，还可能影响到PET信号的正常采集。该产品2006年面世，命名为Gemini双子星，实际上只是PET和3T MR的简单组合。
3.2.2 MR-PET组合全身显像技术成功实现
在2010年11月底，在芝加哥举行的第96届北美放射学年会(RSNA)的会展上，Siemens推出了全球首款全身型MR-PET设备——Biograph mMR成像系统。该设备以3T MR和PET作为主体整合成一体化架构，以同一个设备、在同一个房间、用同一张检查床、同时进行MR和PET的扫描，成功实现了全身MR和PET数据的同步采集。由于不存在任何定位偏差，且具备MR优秀的导航技术，Biograph mMR可以提供完全准确的解剖、生理和新陈代谢信息，其涵盖的技术创新主要包括：
(1)70 cm超大孔径磁体整合空间较60 cm孔径增加了30%，为PET内核的嵌入提供了保证。结合TrueForm技术，同时保证获得均匀的射频场和圆柱形成像空间。由于具备超过5年的70 cm孔径产品生产经验，设备稳定性和临床表现比较有保证。
(2)紧凑型P E T探测器研发全新的光子探测器——雪崩式二极管(APD,Avalanche Photo Diodes)，将传统使用PMT时的体积减小了97%，完全可以植入MR磁体内。APD对磁场不敏感，经高达9.4T磁场的测试未出现任何性能降低，为PET-MR的组合成功提供了可能。
(3)Tim全景矩阵成像采用Tim(total imaging matrix)矩阵线圈，实现多线圈的自由组合和并行采集数据。通过并行接收通道来完成自动病床移动、自动线圈开关控制和实时在线处理等工作，无需患者或线圈重新摆位，一次定位完成全身精确的成像。
(4)基于MR的衰减校正基于MR分段及节断矫正方法，建立全新的衰减校正标准数据库，所得图源于MR数据。可在常规扫描的同时进行采集，用户可自定义图。为了获得足够充分的PET信号，相关组件(例如线圈和扫描床)被再次设计，全部使用低衰减材料。
3.2.3 全身MR-PET设备的先进性
由于同时具备了MR和PET的技术优势，与常规的PET/CT相比，真正同步采集的全身MR-PET的先进性非常明显：
(1)减少辐射剂量与CT相比，MR不会产生额外的辐射剂量，对于儿童扫描、治疗随访、体检等任务来说，MR-PET大大减少了PET-CT对于受检者的辐射损伤，更加体现了以人为本的理念。
(2)真正同时扫描Biograph mMR以同一参照系为标准，不存在二次扫描所带来的定位偏差，提高了显像的分辨率，变化都能清晰地显示出来，对早期病变的诊断价值巨大。另外，人体始终处于变化的常态，Biograph mMR的同时采集有助于对疾病的精确诊断。
(3)冻结运动伪影由于MR和PET的数据是同时采集，MR呼吸门控的信息可同时用于PET，因此呼吸导致的组织运动就可以被完全冻结。对于肺部、心脏和腹部成像来说，MR-PET的优势比较明显。当然，呼吸门控也可在PET/CT上通过使用呼吸带来实现，但是效果会大打折扣。
(4)软组织对比度MR有比CT更好的软组织对比度，利于显示软组织肿瘤或肺癌的脑转移，同时也可以清晰地反映出肿瘤内部的出血、坏死等具体细节，有助于治疗方案的制定。对于其他病变，例如肺部病变，MR还可以分辨正常肺组织和纤维化的肺组织，而后者常常是放疗的副作用。
(5)诊断的准确度由于存在基于MR的衰减校正数据和优秀的空间吻合度，因此不会产生类似于PET CT上图谱失真所导致的假阳性和假阴性。
MR和PET同是临床医学成像的重要设备，二者的同步采集为疾病的早期诊断和准确治疗打开了一扇崭新的大门。可以明确地讲，全身MR-PET的出现是分子影像与临床解剖最令人鼓舞的完美融合，体现了当今最为先进的影像产品技术水平，对整个医学影像学的发展具有划时代的意义。
4 总结
分子影像学的发展使医学影像不同学科的联合成为可能，真正实现了“强强联合”，并已经显示出巨大的研究潜力。全身MR-PET的出现，使医学影像学科体系更加完备、科学和合理，有助于进一步促使影像学科和影像技术形成良性互动、相得益彰。对于复合型影像人才的培养，学科科研实力和学术水平的提高，起到有力的推动作用，是医学影像学未来的发展方向。
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分子医学影像 篇5
如何从分子角度上为学生阐述生命的奥秘，提高“分子生物学”教学的趣味性，是我们需要重点关注的问题。分子生物学是建立在实验基础上的学科，任何一个假说与理论，都是源自于实验的，每一个实验的背后，往往都有一个动人的故事。为了提高“分子生物学”教学的趣味性，可以利用科学史来导入课堂教学内容，为学生讲解知识背后的故事。这种课程导入方式降低了课堂内容的难度，让学生可以轻松学习教学内容，让学生对后续的学习内容产生源源不断的兴趣，这对于学生创新能力的培养非常有益。
3.2优化传统的教材理论教学内容
为了降低“分子生物学”的难度，我们从几个方面对教学内容进行了优化，将大纲分为几个内容：①绪论部分：让学生对分子生物学的建立、发展趋势有全面的认识;②基础知识：介绍基础知识，让学生掌握基因的概念、DNA复制、蛋白质合成、RNA转录等基因表达过程;③研究方法：包括体外操作技术、蛋白质操作方式、体内与体外重组技术;④分子生物学的应用：采用实例的方式介绍生物分子生物学知识的应用，以教材为出出发点，激发学生的学习热情，夯实基础知识。并将分子生物学融入生活案例中。
3.3应用多元化的教学模式
传统填鸭式的教学模式会导致学生对“分子生物学”的学习产生逆反心理，为了提高教学质量，需要根据各部分教学内容的特点采用案例式、启发式、讨论时教学法，创新教学方法。对于对遗传学新知识点有重要铺垫作用的其他课程的基础性知识，可采取布置学生课前或课中自学、再集中小结的方法帮助学生巩固复习之，还要注意从遗传学的角度阐明同一知识点，突出遗传学的学科特色。如，在讲解关于人类基因组测序应用、亲子鉴定的知识时，即可采用案例教学法，引起生活中常见的实例，引导学生来提出自己的见解。除此之外，我院还会定期举行分子生物学研究会、生物学研究进展讲座等，帮助学生拓展学习视野，更新知识体系。此外，还可以推行计算机辅助教学CAI，将各类教学资源整合起来，通过动画、音频、视频、图形、文本、仿真软件的方式来直观的呈现相关内容，扩展学生的学习时间与空间，逐步解决课程教学难点。并构建了“精品课程网站”，其中的内容包括教学录像、教学计划、教学大纲、在线辅导、毕业设计等内容，并结合课程内容及时来更新，让学生从传统的“要我学”转化为“我要学”，拓展学生的学习渠道。
3.4构建完善的实验课程体系
实验是“分子生物学”的重点内容，在传统实验教学中，多为验证性实验与基础性实验，实验内容的创新性不足，为此，需要将实验资源与科研力量整合起来，提高实验的创新性、启发性、实践性、系统性与完整性，根据专业要求划分实验模块，包括基础性实验、综合性实验、设计性实验与创新性实验。其中，基础性实验与综合性实验是常规实验内容，在大一阶段开展，让学生掌握基本的分子生物学知识;设计性实验是实验教学的重点，需要让学生以小组为单位应用相关理论来确定实验方法、选择实验设备，合作完成实验项目;创新性实验是依托科研项目开展的实验项目，由学生按照主题来设置实验方案，重点锻炼学生的创新能力与科研能力。
3.5采用灵活的考核模式
传统考核模式单一，以理论成绩作为主要考核依据，忽视了学生学习能力、创新能力以及中间环节的考察。为此，需要采用灵活的考核模式，从“过程后考核”转化为过程中考核，内容包括“考勤与纪律”、“小组论文”、“课堂讨论”、“期末闭卷考试”、“开卷随堂测试”几个方面。这种全新的考核模式提高了学生的参与积极性，既能够帮助教师掌握学生的学习状态。
4结语
分子生物学是在揭示DNA双螺旋结构基础上快速发展起来的一门新兴实验性学科。随着DNA和RNA聚合酶的发现、遗传密码子的揭示、乳糖操纵子的发现、PCR技术的开发和应用、组学研究的深入以及合成生物学的诞生，使分子生物学得到了长足的发展。遗传学与多门课程教学内容的重复是客观存在的，随着生物科学专业课程设置专业化程度的提高，这种局面将变得愈来愈突出。因此，调整遗传学教学内容势在必行。但无论进行怎样的调整，都必须遵循遗传学的发展历史、保持基础遗传学完整的知识结构体系。
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分子医学影像 篇6
[关键词]医学院校；生物化学与分子生物学；实验教学；改革
生物化学与分子生物学主要是从分子的水平型研究生命现象的科学性，主要是研究化学反应与人体内部的物质分子的基础性生物课程，是生物科学行业当中发展速度最快的一门医学学科，其技术与理论已经逐渐普及到各个生命科学领域当中，是生物学与相关学科之间的共同语言。实验属于一门学科，在生物化学与分子生物学实验教学当中生物化学教学有着非常重要的地位，保障实验教育质量便能够有效巩固学生的实际应用能力。
一、从学校方面改革生物化学与分子生物学实验教学
学校应当提高对实验教学的认识。实验教学是医学院校中培养学生科学素质以及科学实践能力的重要环节。在美国教育中，能力远大于知识，能力并不来源于知识，而知识却可以来源于能力，能力的来源在于“参与”，在于“做”。对于医学院校而言，则必须重视学生动手能力的培养，强化实验课、实践课的同时强化对学生动手能力的考核。医学院校可以从三个方面强化对实验教学的认识：1.在教学实验室当中提供必要的仪器设备，从教学硬件设备上保障教学目的得以实现；2.在资金方面上，加大对实验室设备、先进实验室的建设投入，保障学生的学习效果符合社会需求；3.在教学计划方面需要不断的审视实验室教学的重要性，不断的优化实验性教育。
传统的医学基础教学实验课是属于理論课的，其实验课都归属于教研室管理，没有独立的实验室，其教研室又被划分得比较细，其规模较小，教学仪器设备普遍较为单一、分散，对于教育而言有着极大程度的阻碍性。对此，医学院校就应当根据生物化学与分子生物学实验教学中的需求，统一性调配实验教学的管理，做好真正的资源共享，充分发挥教学仪器的教学作用。
二、从教师方面改革生物化学与分子生物学实验教学
改善教学方式，保障教学方式能够与时俱进[3]。教师不能因循守旧，应当与世界接轨，及时的了解学科的教学新技术，掌握科学的教育方式，并引导教师学会如何学习，如何获取最新的科学知识动态，从而实现搞技术人才的培养工作。
承担生物化学与分子生物学实验课的教师应当充分认识到自己工作的重要性，保障课堂的趣味性，促使学生在听课过程中能够获取相关知识、技能内容。要达到这样的目的，教师必须要对实验课的教学方式进行适当的改善，在布置实验课的方式上、实验课的步骤上。应当保障每一个实验都能够吸引学生，引导学生主动参与到教学当中，从而提高学生的学习兴趣，不仅仅是帮助学生完成相关的实验操作，更重要的是帮助学生熟悉实验过程中的操作技巧以及引发学生的思考。
传统的灌输式教学模式在实验性课堂当中显然不适用，尤其是生物化学与分子生物学这样创新性非常强的课程，其实验教学的最终目的是为了提高学生对知识、技能的掌握以及创新能力的培养。目前，许多教师会在实验前帮助学生准备好实验中所可能用到的物品，并梳理好实验中的步骤，让学生按照教师的知识去完成实验，这样的方式从根本上就剥夺了学生的独立操作，从而导致学生的实际学习效果不理想。
三、从学生方面改革生物化学与分子生物学实验教学
生物化学实验是一门实践性非常强的科目，高校学生应当对实验性课程做好相应的心理准备以及同等的重视程度，在实验当中学生不仅仅需要在培养实践技能，更多的是提升学生的创新思维能力[4]。学生在生物化学与分子生物学实验教学当中首先应当重视实验课，并杜绝实验课不重要的意识，强化自身在实验课当中所获取的技能、知识的渴望与认识。在课堂开展之前，学生应当做好充分的预习准备，基本了解实验原理以及步骤，在进入实验室时必须有相应的心理准备，做好相关的实验准备。通过这样的做法，能够基本杜绝学生在实验过程中的盲目性，帮助学生提升对实验课的参与积极性，同时也消除学生对教师的依赖，改善以往被动式的学习现象。例如，在做蛋白质印迹实验之前，学生应当先了解并熟悉其抗体特异性的结构特征，并基本了解整个实验步骤，其中主要包含配胶、上样、电泳、电转、结合抗体以及显色等。因为聚丙烯酰胺的凝胶时间比较长，普遍在实验课开始之前教师便已经开始配置，所以如果在课前学生没有做好充分的准备就很难在课堂中得到充分的学习。
四、结语
综上所述，医学院校的教学最终目标在于给予社会提供更多实用性、高技术人才，医学院校生物化学与分子生物学实验教育必须要依据社会、行业的需求进行创新，通过学校、教师以及学生等多方面进行改革创新，促使医学院校生物化学与分子生物学实验教学质量得以稳固提升。
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分子医学影像 篇7
一医学分子生物学课程中运用教学视频的必要性
1. 教学视频可以使抽象的教学内容形象化、通俗化
医学分子生物学是分子生物学的一个重要分支, 致力于从分子水平阐明生物大分子的结构、功能、调控机制及人体各种生理和病理状态的分子机制。由此可见, 医学分子生物学的主要研究对象是生物大分子, 这些生物大分子物质如核酸、蛋白质等的形态、结构、分子组成等均是肉眼或普通显微镜下不可见的物质。此外, 还需要介绍这些生物大分子物质在不同生命现象中的相互作用, 作用后所发生的量变或质变。若单纯用文字形容或简单的图片展示, 很难让学生产生直观的感受, 对于动态变化的过程也难以描述, 必然让学生感觉内容空泛、抽象、难理解, 学习难度大。影像的优点是可把抽象、晦涩的事物形象化、通俗化, 运用教学视频, 可以直观形象地展示生物大分子相互作用的基本过程及该过程产生的生理效应, 配合教师进一步讲解, 课堂上学生反应积极, 课堂气氛活跃, 学生课后调查表明, 对相关知识内容已有较深入的理解和掌握。
2. 教学视频可完整展示重要的实验技术过程
医学分子生物学是一门实践性很强的学科, 除了要求学生掌握一些基本理论外, 还向学生介绍部分分子生物学的常用技术, 如核酸分子杂交、RNA干扰、DNA测序、聚合酶链式反应技术等。在课堂讲解这些技术时, 没有实际的实验仪器设备, 实验的具体过程不好描述, 实验过程中生物大分子的微观变化不能展示, 仅介绍各种技术的实验步骤难以使学生掌握相关实验技术。通过改进, 在介绍基本实验步骤的基础上, 播放相关实验技术完整操作过程的教学视频, 再现实验场景, 虚拟一个实验氛围, 使学生对该实验技术有一个直观全面的了解, 为他们今后的临床分子检测和科学研究打下一个良好的基础。
3. 教学视频是提高学习兴趣、活跃课堂气氛的重要手段
现代教学要求开展以理论为指导的具有多样综合教学模式, 并追求和促进个人全面发展的教学。这就要求教师走出“填鸭式”“满堂灌”等单一的教学模式, 采取多元化、交互式、生动活泼的教学方法, 多媒体教学无疑是现在最为有效、使用最多的教学手段。而视频素材是多媒体最具特色的部分, 与静态的文字和图像相比, 它更为直观、生动、形象。心理学研究发现对于持续存在的刺激, 感觉器官做出的反应会逐渐减弱, 较长时间的课堂讲述会使学生学习兴趣减弱, 课堂反应下降。在教学过程中适当地穿插图片或视频, 特别是与学习内容相关的生动幽默视频, 可大大提高学生的学习兴趣, 让学生的注意力重新回到课堂上来。
二医学分子生物学课程中如何合理运用教学视频
在医学分子生物学教学中, 视频素材是整个教学链条中的一个重要环节。视频素材不是重复图形、图像、文字或授课人已经讲明的道理, 而是通过直观形象、生动的感官刺激, 最大限度地发挥学生的潜能, 使其在有限的时间里, 方位感知更多的信息, 提高教学效率, 激活学习的内因。合理运用教学视频需要做到以下几点: (1) 选取视频素材应紧扣教学内容, 如果不与具体的授课内容紧密结合, 再华丽的影像、再动听的音乐都将毫无意义。 (2) 教学视频的素材可以分为两大类:实景拍摄素材、计算机模拟的虚拟影像素材。在具体的运用中, 实景素材更为直观形象, 主要适用于分子生物学实验技术的教学内容。虚拟影像素材大多比较生动幽默, 常用于模拟并介绍生物大分子之间的相互作用及变化。 (3) 视频素材的时间不宜过长, 在介绍基本理论时可选用3~5分钟的简短视频, 在介绍完整实验技术和实验操作时, 选用视频最好控制在10~15分钟之内。视频播放只是教学的点缀, 不能喧宾夺主, 应避免上课投机取巧、大量播放视频, 教学的主要部分还需要老师的讲解。 (4) 在上课前应对视频资料进行充分的备课, 在播放视频时需要教师对视频内容有全面的把握。时间较长、内容丰富的视频要选择合适的时间点停顿并讲解;无配音解说的视频需要教师在播放的过程中加以解说;部分视频为全英文解说或标注, 而学生的专业英语有限时, 则需要教师进行合理准确的翻译。
三问题与展望
在医学分子生物学教学过程中合理运用教学视频可使教学更为形象生动, 提高学生的学习激情, 活跃课堂气氛, 使枯燥抽象的课程变得简单易懂, 大幅提高教学质量。但也存在部分问题需要解决和完善, 如如何获得更多更好的视频资源, 如何将视频资源与有限的课堂教学时间结合起来;如何利用视频资源探索更多更丰富的教学模式和教学方法, 在利用或制作视频资源时保障知识产权的合法性等, 这些将是医学分子生物学乃至其他课程教学改革中需要长期努力的方向。
参考文献
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[2]徐振亚、张雅茹.谈音视频素材在医学多媒体课件中的应用[J].中国医学教育技术, 2012 (4)
医学分子生物学教学改革与探索 篇8
1 任课教师的合理选择及自身素质的提高
医学分子生物学是一门集多学科知识于一体的高速发展的学科, 同时又是一门集理论性及实践性于一体的学科, 这对任课老师提出了更高要求。作为一门交叉学科, 医学分子生物学要求任课老师具备分子遗传学、细胞生物学、生物化学、基础医学等多学科的知识背景, 知识面广, 能够做到适度交叉, 融会贯通。作为一门实践性较强的学科, 它还要求任课老师不仅具备扎实的专业基础知识, 理论渊博, 了解学科发展的最新动态, 更要求教师具有一定的实践经验, 能熟练掌握分子生物学实验操作[2]。只有这样才能既给学生讲明白理论知识, 又能指导学生具体的实验操作及临床应用。因此任课老师的选择及自身素质显得尤为重要。为此, 在医学分子生物学教学过程中, 一方面, 通过外出访问进修和参与各种学术交流活动来拓展视野, 了解国内外最新研究动态和进展情况, 不断提高任课教师自身的专业素养和学术水平, 丰富教学内容。另一方面, 大胆进行改革, 选择多年从事分子生物学科研工作的中青年骨干教师任课。作为分子生物学专业毕业的博士, 他们既有丰富的理论知识, 又具备熟练的操作技能, 并且易于接受新事物, 上起课来比较得心应手。同时在教学过程中任课教师也积极地收集学生对教学工作的意见, 不断探索、实践和总结, 这样可以进一步提高自身的业务素质和教学水平。实践证明年轻的分子生物学老师们给医学分子生物学教学带来了全新的理念和活力, 很受学生爱戴和喜欢。
2 教学内容的合理安排
医学分子生物学作为一门新兴的交叉学科, 内容涵盖的知识面广, 涉及的内容与其它学科有许多重复的地方。因此在教学内容的安排上要慎之又慎, 应适当简化教学内容并且做到重点、难点突出, 避免学科间的交叉重复。我们在对医学生相关课程的教学大纲进行分析的基础上做了大量的调研工作, 然后对医学分子生物学教学内容做了相应调整。对于与生物化学和遗传学相交叉的内容, 如蛋白质、核酸的结构与组成, 采取复习和提问的方式, 让学生提前回顾和预习, 做到温故而知新, 进一步加深对这些内容的记忆和理解, 为难点内容的学习打好基础;对于与细胞生物学相交叉的内容, 如细胞信号转导部分, 在与细胞生物学老师协商后确定由他们具体讲解, 而在医学分子生物学课程中这部分内容不予讲解。这样就节约了学时, 使得我们可以集中精力讲授具有医学分子生物学特色的新知识, 包括分子机制的原理, 分子间相互作用关系, 最新的分子生物学研究方法等内容。另外可以结合最新研究成果, 使学生了解目前国内外分子生物学的研究热点, 激发学生的学习热情。针对相对有限的学时, 具体策略是:重点章节精讲, 部分内容自学。结合医学生的专业特点, 在教学内容的安排上, 不强调分子生物学知识的完整性, 而是有选择地介绍包括基因和基因组、重组DNA技术、核酸杂交、聚合酶链式反应 (PCR) 、癌基因和抑癌基因、基因诊断和基因治疗等在内的分子生物学理论和实验技术。通过介绍相关的实验原理、实验方法和联系临床具体病例, 着重强调分子生物学技术在医学中的应用, 为今后学生从事医学本职工作或相关课题研究奠定基础。除此之外, 鉴于医学分子生物学内容多、知识涵盖面广, 还积极引导学生阅读相关的参考资料和书籍, 鼓励他们通过自学的方法拓展知识面, 培养独立获取知识和巩固所学知识的能力。
3 课程讲授与临床的紧密结合
对医学生而言, 如果能够把医学分子生物学课堂学习的知识最终应用于解决临床问题, 对临床疾病的诊断和治疗有所帮助, 就达到学习的较高境界了。这就要求课堂讲授必须围绕临床展开, 与临床应用紧密结合。通过课堂对知识点进行理论讲授, 结合临床应用举例, 可以使学生做到不仅知其然, 又知其所以然。医学分子生物学知识在临床中应用的例子很多, 镰刀状红细胞贫血病的临床诊断就是一个典型的例子, 它是应用基因诊断中的限制性酶谱分析完成的。学生通常只知道, 正常红细胞形态表现出凹圆盘状, 可以运输氧, 而镰刀状红细胞贫血患者的红细胞呈现镰刀状, 丧失了该功能, 极易破碎, 产生贫血。但在临床上如何应用限制性酶谱进行诊断及诊断的分子机制如何, 学生并不清楚。通过医学分子生物学的学习, 学生就会明白, 当发生镰刀状红细胞贫血时, 血红蛋白 (链中本来编码谷氨酸的三联密码“GAG”中的“A”被“T” 取代, 导致了MstⅡ酶切位点的缺失, 所以酶切时与正常基因相比, 少了一条带, 可以据此进行诊断。另外应用多重PCR法可检出80%有基因缺失的杜氏肌营养不良症 (DMD) 患者;借助串联重复序列多态性 (STRP) 可以进行亲子鉴定;应用荧光定量PCR技术可以检测SARS, HIN1病毒等等。通过这样的理论与临床结合一方面可以激发学生的学习兴趣, 另一方面可以做到学有所用, 把知识学活。
4 学生主动性及兴趣的开发
医学分子生物学主要研究人体生物大分子的结构、功能、相互作用及其同疾病发生、发展的关系, 乃至在疾病诊断、治疗上的应用。而基因等生物大分子既看不见, 也摸不着, 这使得医学分子生物学课程内容抽象难懂, 学生普遍反映不易理解、枯燥无味, 甚至产生厌倦心理, 因此严重影响了学习医学分子生物学的兴趣[3], 而兴趣是学习的主要动力, 如何解决这个问题呢?分子生物学是一门实验性较强的学科, 许多科学问题的发现是科学家实验成果的结晶, 因此在教学过程中, 结合教学内容适当介绍一些科学家的重大科学发现故事, 包括科学问题的发现过程、科学假说提出的背景以及科学家如何思考, 不仅能增加课堂的趣味性, 提高学生的学习兴趣, 而且能增加学生立志攀登科学高峰的决心和战胜困难的信心, 激发学生的求知欲, 提高学生探求科学问题的能力, 锻炼其科学思维, 培养学生的创新能力。这些故事可以在课堂上介绍, 也可以将电子版或纸质材料发给大家课后学习。另外, 如上所述, 在课程的讲授中, 尽可能给学生举一些与医学分子生物学课程密切联系的例子, 让学生正确认识医学分子生物学这门课与今后工作的联系, 提高他们学习的兴趣, 促使他们在课下继续学习和思考。
5 课堂教学与课外实践紧密结合, 恰当应用多媒体及动画
医学分子生物学课程内容中涉及许多研究方法和技术, 有些技术原理深奥、难于理解, 最好的学习办法是让学生亲自试验[4]。除根据理论课内容安排学生分组上好医学分子生物学实验课外, 还组织学生建立医学分子生物学实验兴趣小组, 依托任课老师所在的科研平台, 让学生利用晚上和周末时间积极参与任课老师的课题研究。学生通过亲自完成分子生物学相关实验, 牢固掌握这些技术的原理和操作技术, 同时将理论和实践密切结合起来, 将知识活学活用, 融会贯通。
医学分子生物学教学中的许多知识点和方法都涉及多个信息的传递过程, 如聚合酶链式反应 (PCR) 、核酸杂交等。这些过程复杂、抽象, 并且有许多细胞成分参与, 学生理解起来非常困难。因此需要在教学实践中充分发挥多媒体动画的作用, 使抽象内容形象化, 这样可能会取得意想不到的效果[5]。如在PCR的讲授中, 可以把PCR的三个步骤—变性、退火和延伸制成3个独立的小动画, 配以解说, 分别讲授, 先让学生弄明白每一个过程, 最后再把三个步骤连在一起, 给出一个完整的过程。这样动态地展示出DNA在体外扩增的过程, 真实感很强, 学生感觉身临其境, 学习热情高涨, 对所学知识理解和掌握得非常牢固, 记忆也更加深刻。另外可以鼓励学生在课下制作动画, 安排时间集中展示这些动画, 通过多媒体动画的应用, 提高学生的学习积极性, 锻炼学生的科学思维, 使学生对医学分子生物学知识理解得更加深刻和全面。
6 及时进行归纳总结
医学分子生物学课程内容很多, 有些是相互联系, 穿插在一起的, 有些则相对比较独立, 还有一些知识点特别零碎, 在按照教学大纲进行课程讲授时, 往往一节课下来, 学生感觉脑子里特别乱, 思路理不清。因此在每一相对独立的部分结束后, 都必须及时进行归纳总结, 这样便于学生理顺思路和记忆。如在讲授重组DNA技术时, 分八节来讲, 包括:基因克隆重要的工具酶, 基因克隆的载体, 目的DNA的制备, 目的DNA与载体的体外重组, 重组DNA导入细胞, 重组体的筛选与鉴定等。每一节又包括许多内容和方法。虽然在讲每一步时, 学生都明白, 可是等全部过程讲完, 学生又“蒙”了, 因此必须进行一下小结, 我们用五个字总结这一部分的内容:“分、切、接、转、筛”。进一步解释:“分”是指“分离目的基因”, “切”是指“对目的基因和载体适当切割”, “接”是指“目的基因与载体连接”, “转”是指重组DNA转入受体菌, “筛”是指筛选出含有重组体的受菌体。这样一来, 重组DNA技术这样一个很复杂的过程, 其重点内容及过程就清清楚楚地总结了出来, 便于学生理解和记忆。
以上对医学分子生物学教学改革的探索, 是我们多年从事医学分子生物学教学所得出的经验和体会, 在这儿写出来与大家共勉。当然医学分子生物学教学还需要不断总结和探索。在以后的教学中会进一步总结经验, 克服不足, 不断提高医学分子生物学的教学水平和质量。
参考文献
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分子医学影像 篇9
笔者通过数字小鼠图谱来实现多模态分子影像的自动量化分析,将图谱小鼠的器官勾画变形到待分析小鼠Micro-CT图像上,实现了对小鼠MicroCT/PET图像的多器官自动勾画和分子成像定量分析。
1 材料
数字小鼠(Digi Mouse)图谱数据[1]包括0.1 mm分辨率的Micro-CT图像、冷冻切片图像和正电子发射计算机断层显像(position emission computed tomography,PET)图像。结合冷冻切片图像在Micro-CT上精细勾画了小鼠的全身主要器官,包括外轮廓、骨骼、全大脑、小脑、嗅球、纹状体、延髓、咬肌、肌肉、眼球、泪腺、心脏、肺脏、肝脏、胃、脾脏、胰腺、肾上腺、肾脏、睾丸、膀胱。299页彩图1中A、B分别显示了数字图谱小鼠包含的冷冻切片图像和Micro-CT图像及其器官勾画。待分析的小鼠图像包括一套MicroCT/PET图像。
2 方法与结果
2.1 基于CT阈值和区域增长的小鼠外轮廓、肺脏和骨骼的自动分割
为了实现图谱小鼠和待分析小鼠姿态大致对准,首先要把待分析小鼠的外轮廓、骨骼和肺部三个相对容易划分的高对比度器官勾画出来,并利用其勾画结果与数字图谱的对应器官对准。由于外轮廓和空气、肺脏和胸腔的边界对比清晰,采用区域增长的图像分割方法(region growing)[5]可以非常准确地定位小鼠外轮廓。而在Micro-CT图像上,由于骨骼具有高灰度值,可以通过阈值分割加数学形态学算法将其分割出来。随后用Marching Cube算法[6]提取三个器官的等值面并构建其表面网格。299页彩图2A显示了待分析小鼠的外轮廓、骨骼和肺脏的三维表面模型。
2.2 小鼠骨骼配准与姿态调整
在得到小鼠的外轮廓、骨骼和肺脏的二维三角网格(点集)表示后,为了将图谱小鼠弹性配准到待分析小鼠上,首先对准它们的外轮廓和骨骼。点集的配准采用表面点集映射算法[7],建立起各器官表面的一一对应关系。由于小鼠外轮廓、肺脏和骨骼的形状非常不规则,具有丰富的几何特征信息,图谱小鼠的外轮廓和骨骼可以准确地调整到待分析小鼠上,从而建立起一个稀疏、不规则点的对应关系。
2.3 基于样条插值的内部器官弹性配准,结合Micro-PET进行定量分析
外轮廓、骨骼和肺脏的点对应关系是非均匀分布的。为了进一步对准小鼠体内的每一个器官,采用薄板样条插值算法计算出待分析小鼠每个像素点到图谱小鼠的关系。这样通过映射到图谱小鼠上的位置可以确定待分析小鼠上每个点的器官分类(见299页彩图2B)。299页彩图2B显示了待分析小鼠的内部器官弹性配准后的表面模型。在得到器官分类结果后,就可以定量分析PET等功能图像在小鼠全身的分布(见299页彩图3)。299页彩图3显示了小鼠的矢状面和冠状面的Micro-CT和PET-CT融合的图像,其中标明了肺脏、心脏、肝脏和肾脏的勾画结果。利用分割结果可以定量分析每个器官的功能影像。
2.4 待分析小鼠的三维体网格模型
利用小鼠全身器官的分割结果,通过Marching Cube算法可得到所有器官的表面网格。为了对小鼠进行进一步的定量分析(光学成像重建、动态PET分析),采用Tet Gen软件[8]生成小鼠器官的三维网格模型。每个器官的内部都用四面体网格表示(见299页彩图4),该小鼠模型可以直接用作PET重建的衰减图(attenuation map),或者用于光学成像,或者有限元建模(finite element modeling)。299页彩图4显示了待分析小鼠全身器官的表面模型和四面体三维网格。
3 结论
笔者提出了一种基于数字图谱的小鼠分子成像快速勾画和定量分析方法,可广泛用于小动物功能成像的分析中。在许多临床前期的动物试验中需要定量测量活体对药物或治疗的反应。例如用免疫缺陷小鼠的肿瘤模型来开发新的靶向药物或放射治疗技术,要进行多次小鼠Micro-CT/PET活体成像,观测肿瘤细胞在全身的扩散和对治疗的反应。该方法可以用来自动划分小鼠的器官,对比多个观测时间点上各器官的标准摄取值(Standard uptake value,SUV值)分布,从而量化地观察治疗过程中肿瘤细胞的分布变化。该方法的主要优点是可以快速实现对小鼠Micro-CT图像的划分,降低内部低对比度器官由人为划分带来的不确定性。目前该方法只能用于和数字图谱比较接近的小鼠图像,将来如果能建立更多的实验动物标准图谱,可以将类似方法推广应用。
A.小鼠图谱的冷冻切片图像;B.小鼠图谱的Micro-CT图像及器官划分。
A.待分析小鼠的外轮廓、骨骼和肺脏的三维模型表面;B.待分析小鼠内部器官弹性配准后的表面模型。
A.矢状面;B.冠状面。
A.小鼠全身器官的表面网格模型;B.四面体网格模型。
摘要：为实现小鼠微计算机断层扫描(Micro computed tomography,Micro-CT)图像的多器官准确快速勾画和定量分析,研究了基于小鼠数字图谱和图像弹性配准技术的多器官快速分割方法。该方法分四个步骤:1)外轮廓、骨骼和肺脏的自动勾画;2)基于外轮廓、骨骼将待分析的小鼠Micro-CT图像和数字图谱对准;3)小鼠内部器官的弹性配准和自动划分;4)三维网格模型的建立和定量分析。结果表明:该方法能提高小鼠分子影像分析的效率、精确性和可重复性,可广泛应用于小鼠分子影像定量分析中。
关键词：小动物分子成像技术,微计算机断层扫描(Micro-CT)数字图谱,图像弹性配准技术,多器官勾画,定量分析
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分子医学影像 篇10
一对象与方法
往届本校医学分子生物学实验教学, 为几个技术性简单小实验的集合:动物组织细胞基因组DNA的提取、基因组DNA的定量分析、血清蛋白SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳。教师以课后个人上交的验证性实验报告作为成绩考评。学生反映形式枯燥、缺乏热情, 教学效果欠佳。从2011届起, 本中心选用了易引起人们普遍困惑与好奇的分子遗传学角度连续实验:人外周全血DNA的提取、聚合酶链式反应 (PCR) 、琼脂糖凝胶电泳、DNA指纹分析。仍延续验证性实验报告的考评形式。学生认为, 兴趣有所提升但仍然程序化。因此, 本届教学对象为泸州医学院2012届医学检验本科专业89人, 不仅沿用上述连续实验, 且给定这个综合实验题目的原理方向, 由学生自主选题, 拓展发散设计一个全新的实验流程。具体方案如下: (1) 课前一月, 提供实验题目, 告知学生选题, 设计、修改实验, 教师论证。 (2) 课前两周, 教师集体备课统一方案, 准备实验和做预实验。组织学生开会, 通知实验课规章制度及有关事宜。 (3) 进行实验课教学, 师生积极配合完成连续实验。 (4) 课后两周, 学生以自由组合团队为单位提交设计型实验报告, 教师考评。
二团队与报告
倡导自主原则, 有学生自由组合团队25个, 团队成员人数由1~6人不等, 以2人、4人、5人团队居多, 符合团队组建最佳配置原则。课后共收回自主设计型实验报告26份。内容主要涉及检验专业临床常见的人类遗传疾病基因诊断、检测及分析, 大体反映了学生对多发遗传疾病的兴趣所在与关注程度。自主设计型实验报告主题分布, 见附表。
三评价与分析
笔者同时收集了学生交回对此次教学改革感想的书面反馈83份。他们以切身感受表示在这次设计型医学分子生物学实验课堂中收获很大, 其中, 重点详细地对比论证了验证型实验教学与设计型实验教学各自的优点与不足之处。
1. 验证型实验教学优点
实验目的、原理、步骤、结果及仪器操作等一目了然 (20.5%) 。有教师和书本指导, 省时省力 (19.3%) 。在实验过程中回顾、总结、提升 (18.1%) 。培养学生实际动手能力 (16.8%) 。经典完美, 理论与实践融合 (10.8%) 。培养学生认真上课、规范记录的学习态度 (8.4%) 。便于教师了解学生对知识的掌握情况, 提高教师批改效率 (4.8%) 。标明注意事项与禁区, 安全可行 (2.4%) 。
2. 验证型实验教学不足
按部就班, 扼杀自主创新能力, 束缚思维全面发展 (42.2%) 。有实验指导等现抄现用, 千篇一律, 枯燥乏味, 做无用功 (37.3%) 。仅关注实验数据与结果, 忽略实验目的、原理和意义 (7.2%) 。照本宣科, 严重缺乏个人对实验的看法和观点 (6.0%) 。教师主导, 学生依赖 (6.0%) 。
3. 设计型实验教学优点
激发创新思维, 充分发挥想象力 (78.3%) 。激发学习兴趣, 调动积极性, 促使独立思考, 提高学习效率 (75.9%) 。锻炼通过网络、图书馆等途径自行收集、筛选、归纳、整合资料的文献检索能力和综合信息能力, 跨学科学习, 拓宽知识面 (65.0%) 。增强对基本实验技术复习理解、巩固完善、串联运用的能力 (60.2%) 。促进交流讨论, 培养大胆提出观点、谦虚听取意见的习惯, 集思广益, 共同进步 (42.2%) 。正视团队合作的重要性, 练习组织、分工、协作能力 (26.5%) 。顺应发散思维, 学以致用 (25.3%) 。有利于教师了解学生对知识的掌握情况 (10.8%) 。锻炼心理素质, 在失败中成长 (8.4%) 。体会科研魅力, 为以后深造打下基础 (6.0%) 。形式多样化, 体现教育人性化, 鼓励自主创新的初衷, 跟上了时代步伐 (4.8%) 。增进合作伙伴感情, 拉近人与人的距离 (4.8%) 。从崭新的角度看待科学, 考虑更周全, 角度更多元, 更注重细节, 更加深印象, 将书本知识与自身领悟相结合 (3.6%) 。发现困难点与关键点所在, 利于重点攻关 (2.4%) 。报告书写更自由化, 步骤更细致化, 信息更全面化 (2.4%) 。
4. 设计型实验教学不足
知识面狭窄, 思维局限, 考虑问题不全面, 导致设计目的不明确, 设计步骤不成熟, 设计过程不严谨, 细节处理有偏差, 实验报告缺乏可信度 (48.2%) 。未将设计的实验真正应用于实验操作, 无法在实践中分析实验, 无从用实践证明其可行性 (24.1%) 。花费大量时间精力, 耽误其他课程 (22.9%) 。缺乏自信, 感到压力, 因之前对科研无相关经验而畏惧具体实施 (20.5%) 。大量资料、数据来源于网络, 无从考证其权威性和科学性 (20.5%) 。师生之间缺乏必要的沟通交流, 缺少修正和改进实验报告的机会 (15.6%) 。小组分工方式存在弊端, 因分工不均学生之间难以对比考评 (10.8%) 。团队内部有意见分歧, 人际关系需要磨合 (8.4%) 。难以巩固经典实验 (9.2%) 。增加教师的批阅工作量, 提高对教师素质的要求 (6.0%) 。设计选题的范围过于抽象宽泛, 缺少方向性 (4.8%) 。实验报告的篇幅较长, 行文散乱无条理, 后期汇总有难度 (3.6%) 。考察了思维创新能力, 未加强实际动手能力 (2.4%) 。
四讨论与结语
综上所述, 根据课后对教学效果的跟踪反馈, 学生皆认为传统验证型实验教学因其强迫、被动、灌输、重复的模式而反感抵触, 虽具一定长处但弊大于利, 改革势在必行;同时因为自主设计性实验教学果敢、挑战、激情、期待的模式而乐在其中, 是一次突破旧制、有所创意的“质的飞越”, 虽有一定欠缺, 但却是可以克服和解决的, 均给予赞同支持。在此次实战教学演练中, 能深刻地体会到:科教以人为本, 关键不是教师教给了学生什么知识, 而是学生学会了什么能力。培养学生脱离机械释放潜能, 真正发挥其主观能动性, 将兴趣和创造的钥匙放到他们手中, 应是大学教育体系的紧要任务。同时, 初步的探索和实践必然产生漏洞和缺陷, 如何查漏补缺、彻底改观本校实验课堂的陈旧模式, 让师生共同参与规划、研制、实施与评价教学的全过程, 还需进一步研究。
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分子医学影像 篇11
1 教改的总体思路
实践教学在分子生物学实验课程中尤为关键[2]。在教学改革中更新课程内容,严格教学管理,重视教学内容的整体优化,开设综合性实验,为学生创造较多的动手操作机会,培养学生的学习兴趣,提高他们观察、分析问题的能力,加深他们对理论知识的理解,及这些技能如何在实践中应用。
1.1 教材的选择
教材是学生获取知识的重要途径[3,4,5]。对接触分子生物学实验的学生来讲,选择一本合适的教材有助于学生对该门课程产生兴趣,掌握实验方法。本校的分子生物学实验课程安排在第二学年第一学期,学生已学过生物化学,接触过核酸和蛋白质的一些基本概念,也做过一小部分核酸实验,但总的来说,大部分实验技术还未了解,也觉得很抽象难懂,导致学生学习积极性不高。因此,选择一本适合的教材非常关键。近年来出版了很多分子生物学实验教材,包括《医学分子生物学实验技术》《临床分子生物学检验技术实验指导》《分子生物学实验技术》《分子生物学实验技术》等,经分析本校选用了《分子生物学实验技术》(曲萌等编著),这本教材比较适合实验课时较少的专业,该教材综合了核酸和蛋白质实验部分,所提供的实验方法不仅有详细解释,而且会有举例说明,学生更容易将理论知识和实践结合起来。
1.2 提高学生的学习能力
激发学生学习的主动性,注重知识整合,强调知识与实践应用相结合,培养他们的创新精神。提高学生的综合素质,实现素质教育目标,在大学结束后仍然具有继续学习的能力,强调能力、知识、素质的协调发展,让学生在实践过程中培养良好的科研素质,不得弄虚作假[6]。
2 实验教学内容的选择与引导
2.1 优化课程内容
分子生物学实验技术是将分子生物学和基因工程原理等实验合并为一门课程的实验,在所学理论知识学习的基础上,开设分子生物学实验课程,学生通过在实验室亲自接触实验内容,既学到了适应时代前沿的技术,又大大增加了他们的实践和动手能力[7]。而实验内容是分子生物学实验课程的核心,由于本校动物医学专业在第二学年开设该课程,学生所学理论知识有限,实验课时较少,合适的实验内容不仅能够激发学生的学习兴趣,还能够让他们更好地将相关的知识与实验技能结合起来,运用到科研实践中[8]。在实践中注重与动物医学专业学科发展的前沿性保持同步,及时对教学内容进行修改[4]。此外,还应强调与动物医学专业相关学科的交叉以及在畜牧业中的应用。以讲解核酸分子杂交为例,实验课本上大量讲述杂交的条件、具体步骤以及影响因素,但是对实际应用方面提及较少,因此授课时可适当进行扩展,在掌握该方法的基础上可以设计生物芯片(蛋白芯片、基因芯片)用于疾病快速检测,这样有利于学生加深理解。
2.2 综合性实验教学方案改革
在设计分子生物学实验时,实验内容的选择上遵循优化实验课程体系,重组实验内容,将相关课程的实验联合设计成综合性实验。在强调综合性的同时,强调实验的连续性,整个实验采用了系统性连续实验,是比较完整的科研过程,这样还可以较好地开发学生的科研思维能力,提高学生分析问题和解决问题的能力。以下将针对实验设计进行详细介绍,例如,综合实验一,克隆目的基因。其实验目的是为了更好地理解并掌握分子克隆基因的实验原理及流程。在给学生讲解实验理论时,要引导学生思考如何将目的基因克隆到所选择的载体上,即整体实验流程中会用到哪些所学的基础实验。问题一:如何获得目的基因?解答:要用到PCR扩增技术。问题二:PCR扩增需要有模板,如何提取模板?解答:DNA或RNA的提取方法。问题三:如何将目的基因连接到在载体上等。根据这些实验思路,将分子生物学实验内容调整为:实验一,基因组DNA的提取以及DNA浓度和纯度的鉴定;实验二,PCR体外扩增基因及PCR产物的纯化;实验三,宿主感受态细胞的制备;实验四,将目的基因连接到在载体上,转化至宿主感受态细胞;实验五,重组质粒的筛选;实验六,重组质粒DNA的提取;实验七,重组质粒的酶切鉴定。这些小实验如果让学生分开打乱顺序做,虽然也有实验结果,但是学生不会把它们串联起来,也不理解这些实验在分子生物学技术中的作用,将它们设计为综合实验,一环扣一环,提高了学生的兴趣,调动了学生学习的积极性,同时更培养了学生独立解决实际问题的能力、创新能力、组织管理能力和科研能力。
2.3 设计性实验教学方案的改革
本校动物医学专业给本科生创造了较好的科研平台,每年都有相关科研项目(神农/正大/友美创新创业基金项目和本校研究生科技创新项目等)的申报,这为学生独立设计实验提供机会,也解决了课时较少的问题。由于接受的理论知识还不够,所以由指导教师指导,指导教师出题后由学生分组组织实验,从方案、拟定步骤、选定仪器设备、处理数据等最大限度地发挥学生的学习主动性。
3 教学方法的改革
3.1 多媒体教学方法的改进
多数本科学生刚接触分子生物学实验技术都不知实验如何动手,而且很多基础原理也比较枯燥难理解,在讲授实验原理时进一步增加多媒体教学学时,在幻灯中增加动画、实验图片、实验录像,这样可以提高教学效率和效果,学生也很乐于接受这些教学模式,极大地提高了学生的学习兴趣。笔者已收集到大量实验操作加入到教学中,如DNA或RNA的提取、琼脂糖凝胶电泳、SDS-PAGE电泳、PCR扩增、Southern杂交、Nouthern杂交、斑点杂交等,这样学生学习注意力集中,也可加深理解。
3.2 课前实验准备
将学生分组,鼓励每组学生在实验前积累资料,让他们充分利用时间,各自制作关于每个实验的PPT,提出自己的疑问,这样既提高学生的积极性,拓宽了学生自主学习的资源,提高了学生的学习效率,又可以培养他们在实验中的团队精神。另外,还可让学生积极参与教学实验的准备工作,以往是教师全全负责,现在在教师的指导下参与实验准备工作,既可以让学生了解实验准备的整个过程,而且还发挥学生的主观能动性,较好地掌握实验技巧。
3.3 设计实验提前开始
现在高校已增加毕业前生产实习阶段与毕业论文设计阶段,分子生物学实验室对本科生开放,让更多对本课程感兴趣的学生有机会进行科学研究,提高他们的分子生物学实验技能。提前进入实验室以“高年级学生带低年级学生”的模式,更有利于学生掌握分子生物学的实验操作技术,系统地完成综合实验和设计实验。
3.4 开设讨论会
如果单纯是按步骤做实验并不能使学生对项目产生兴趣,可以组织大家开设讨论会,及时交流实验体会,既可以培养学生自主获取知识的能力,又能提高他们解决问题的综合能力。
4 教学条件与教学质量的评价
为了保障分子生物学实验课程教学的顺利进行,本校对分子生物学实验课程教学高度重视,建立了分子生物学实验教学平台,购置了相关实验教学的设备,任课教师也需要具备从事分子生物学领域研究工作的经历。
以往关于实验成绩的考核没有统一的标准,只是注重最后的实验结果,这种考核方式过于单一,忽略了学生在学习动手、思考、团队合作等环节的考核,为此对分子生物学实验课程评分采取了全面化的考核模式:考试总分百分制,其中实验技能操作(35%),考勤和纪律(20%),实验预习记录(15%),实验方案设计和实验报告(10%),课堂提问(10%),实验记录(5%),实验团队协作及公益劳动等(5%),这样既可以公正地衡量每位学生的实验成绩,也调动了学生的学习积极性和自主性,提高了学生的动手能力。
5 教师素质
教师是课程的具体实施者,教师自身素质是保证课程实施质量的重要条件[9]。分子生物学的知识更新速度较快,这就要求教师不断地查阅相关文献,阅读生物方面的杂志,了解最新研究进展,掌握最新前沿信息,把握最新研究方法和技术。鼓励教师多参加学术会议、培训等不断地学习,掌握更多的专业知识,用新知识、新观点、新材料不断充实和丰富教学内容,这样才更能激发学生学习兴趣和学习热情,有利于提高教学质量。
多媒体课件的制作需要一定的专业知识,分子生物学实验的课件存在内容较多、实验过程复杂、动态过程难以制作等问题,优秀的多媒体课件制作还是有难度的,对于动物医学专业的教师有待提高相关专业知识。
6 结语
分子生物学实验课程教学是新时期生物学专业人才培养的现实要求,在以往的课堂教学中,通常采用“实验结果判定标准”的方式来衡量学生的学习效果和动手能力。通过近3年教学改革的探索和尝试,已取得了初步成效,实践表明,综合性实验内容丰富新颖,学生普遍反映教学效果良好,对分子生物学实验产生了极大的兴趣。教师鼓励学生积极参加实验前准备及指导课件PPT的制作,让学生主动、富有个性地学习,培养了学生科学思维的能力。无论从考研成绩还是就业率及去向上都有了相当好的成效,为学生今后从事科学研究和技术开发打下基础。
参考文献
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