重磅| 「生物醫學影像發展戰略」專輯出版

生物醫學影像作為研究生命科學的工具和手段，為生命科學的一次次研究突破作出了重要貢獻。生物醫學影像萌芽於放射學領域，不斷壯大成長為囊括X射線成像、核素成像、超聲成像、核磁共振成像、光學成像、質譜成像、生物電/磁成像、電子顯微成像等多種成像技術的領域。作為新興交叉學科，生物醫學影像紮根於物理學、數學、化學、信息科學、工程科學等基礎學科，支撐生命科學、醫學、藥學、腦與認知科學等學科的發展，其自身的特殊地位不容忽視，對其進行科學合理的學科發展戰略規劃意義深遠。

2016年，中國科學院數學物理學部聯合國家自然科學基金委員會，建議對生物醫學影像的學科發展戰略研究立項。該項目於2017年啟動，由葉朝輝院士負責，依託中國科學院武漢物理與數學研究所和華中科技大學，邀請了13位院士和3位海外華人教授、3位國家自然科學基金委管理專家組成戰略研究組，建立了12個由國內相關領域青年領軍人才組成的秘書工作組，由駱清銘教授和周欣研究員擔任秘書工作組組長。

2018年11月17-18日，項目組在蘇州召開了以「生物醫學影像發展戰略」為主題的「科學與技術前沿論壇」。論壇研討成果以「生物醫學影像發展戰略」專輯的形式在《中國科學: 生命科學》出版。專輯邀請了項目秘書總體組專家、工作組的12位組長分別撰寫評述文章，為讀者介紹生物醫學影像學科各分支領域最新的研究進展和發展趨勢研判，務求展示生物醫學影像及其分支領域的總體和細節面貌，發出中國科學家的聲音，吸引更多的國內科研人員找到合適的切入點，投身生物醫學影像這一不斷發展壯大且極具前景和魅力的研究領域。

專輯簡介

[點擊題目可下載閱讀全文]

葉朝輝 研究員

特邀編輯

中國科學院院士

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

華中科技大學武漢光電國家研究中心

駱清銘 教授

特邀編輯

中國科學院院士

海南大學

華中科技大學武漢光電國家研究中心

周欣 研究員

特邀編輯

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

華中科技大學武漢光電國家研究中心

駱清銘，周欣，葉朝輝

生物醫學影像作為一門新興交叉學科，建立在物理學、數學、化學、信息科學、工程科學、生命科學、醫學的基礎上，是貫穿生物醫學基礎研究和臨床診療的必備手段，推動了生命科學和醫學領域的一次又一次飛躍。生物醫學影像不僅是建設健康中國的重要支柱，也是實施智能製造和國家大數據戰略的重要抓手；不僅能為建設科技強國和人才強國做出貢獻，也是國家安全和社會穩定的重要保障。本文從梳理生物醫學影像的發展規律與發展趨勢入手，重點剖析了有史以來我國對生物醫學影像研究的重視程度與投入情況，歸納了我國生物醫學影像研究的產出情況，總結介紹了一些有代表性的優勢研究領域，進而對我國生物醫學影像的發展現狀進行競爭態勢分析，最後提出展望和建議。

畢國強 教授

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心

中國科學院深圳先進技術研究院

陶長路，張興，韓華，梁文錫，趙經緯，畢國強

電子顯微技術(簡稱電鏡)因其超高分辨能力，成為人類認識微觀世界的最主要技術手段之一，並廣泛應用於生物醫學研究領域。隨著物理、生物、信息等多學科技術的發展和融合，電子顯微鏡在解析度、成像尺度和自動化等多個方面不斷取得突破，特別是冷凍制樣技術和直接電子探測相機的發展使得冷凍電鏡技術能夠直接解析生物大分子的原子解析度三維結構。另一方面，對生命活動過程的研究往往跨越多個時空尺度，甚至需要追蹤生物事件發生的動態過程，這就要求研究手段在解析度、原位成像、動態、多尺度、多模態、高特異性和高通量等特性上不斷拓展。針對這些需求，生物醫學電鏡及相關技術的主要發展方向包括：(ⅰ) 高分辨冷凍電鏡技術，通過更精確的三維重構理論和電子光學成像技術進一步提高信噪比和解析度，實現對更大、更小生物分子的原子解析度結構解析；(ⅱ) 基於冷凍電子斷層三維重構的多模態成像技術，通過更優化的冷凍制樣減薄技術、亞區域三維重建技術等，實現對組織與細胞中蛋白質等大分子複合物的結構與相互作用的原位解析，並通過與光學成像的動態性與特異性的有效整合，實現結構與功能研究的結合；(ⅲ) 大尺度三維重建的體電子顯微成像技術，通過優化樣品製備、成像及分析，實現整個流程的高通量系統集成，從而進行腦聯結組等生物結構的圖譜重建；(ⅳ) 具有飛秒量級時間分辨的超快電鏡技術，通過進一步發展脈衝電子源、液相樣品室等，將為蛋白質分子異構、生物組織與納米材料的物理化學相互作用等動態過程研究提供新的觀測工具；(ⅴ) 大數據存儲和處理技術與基於人工智慧的圖像處理方法，將進一步推動海量電鏡數據的快速、高效、自動化的處理與分析。本文重點評述了以上技術方向的發展趨勢、所面臨的瓶頸問題以及可能的突破點，並展望了其在未來推動生物醫學基礎研究和轉化應用的前景。

王凡 教授

北京大學醫學同位素研究中心

中國科學院生物物理研究所

陳思，史繼雲，王凡

核醫學影像在疾病的診斷、分期、預後、療效評價以及指導個體化治療方面發揮著不可替代的作用，已在臨床廣泛應用。核醫學影像的發展取決於顯像劑和顯像設備的不斷進步。我國核醫學已走過60多年的發展歷程，完成了藥物和設備的從進口到國產替代的轉變，如今進入自主創新的發展階段。本文敘述了放射性藥物和核醫學影像儀器的發展和現狀，並對我國核醫學的發展進行了展望。

滕皋軍 教授

東南大學附屬中大醫院

曹紅光 董事

上海奕瑞光電子科技股份有限公司

張弘毅，李運祥，曹斌，陸遙，曹紅光，解菁，滕皋軍

X射線成像技術在醫療領域中具有舉足輕重的地位，它利用韌致輻射的原理產生X射線，並通過不同組織對特定能量X射線吸收係數不同而產生射線密度和能譜分布的圖像。主要設備有X射線機、計算機斷層掃描(computed tomography，CT)以及數字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)三種。隨著計算機技術、人工智慧技術以及材料學的飛速發展，影像技術正在經歷廣泛而深遠的改變。一大批全新的成像技術已經逐漸應用於醫學領域，並使現有的X射線成像技術飛速發展。本文綜合探討了X射線三大成像設備的發展歷史，以及未來技術的主要突破點，同時還對我國X射線技術可能的發展趨勢做出預測並提出建議。

席鵬 教授

北京大學工學院生物醫學工程系

吳若楠，卞雨晗，席鵬

X射線顯微技術能夠彌補光學顯微鏡解析度的不足和電子顯微鏡成像深度的不足，具有很大的應用潛力。本文對已有文獻進行綜合，從透射、散射、衍射等成像原理方面介紹X射線顯微技術，包括透射X射線顯微成像、小角X射線散射成像、相干X射線衍射成像、X射線全息術等技術。本文同時介紹了多個技術的結合應用,如掃描透射X射線顯微成像與相干X射線衍射成像的結合、疊層衍射成像和掃描小角X射線散射成像的結合、X射線顯微技術與螢光技術的結合。不同技術取長補短，獲得了信息更全、質量更高的成像結果。最後，本文從快速定位、算法、射線源、樣品製備4個改進方面介紹了X射線成像技術的研究進展。

付玲 教授

華中科技大學武漢光電國家研究中心

付玲，駱清銘

光學成像與生物醫學領域的交叉融通可追溯至17世紀用顯微鏡觀察微生物開始。幾個世紀以來，光學成像不斷拓展其內涵與外延，因高分辨、多尺度、多維度、易集成以及低輻射等優勢，在生物醫學領域的基礎研究和臨床診療中展現出源源不斷的生命力，為生命科學信息的獲取、處理和可視化提供了變革性科學儀器和科學工具，是人類從認識微觀生物體結構到理解動態生命過程的創新源泉。本文從生物醫學光學成像的發展現狀入手，針對生物醫學光學成像技術的幾個重要方向，分別闡述了其進展與未來發展趨勢。

楊芃原 教授

復旦大學

閔行中心醫院

楊芃原，劉穎超，趙和玉，李順祥

質譜分子成像是發展迅速的研究領域，特別是在生命科學和醫學領域，生物組織的各類生物小分子、大分子目前已經可以由先進的質譜技術予以成像。這些生物分子和生物體的生理和病理狀態有著密切的聯繫，因此,質譜分子成像是對光學類形態成像的很好補充。目前常用的分子質譜成像技術有三類: 近幾年發展起來的基質輔助雷射解吸電離(matrix assisted laser desorption ionization，MALDI)質譜成像、二次離子質譜(secondary ion MS，SIMS)成像以及解吸電噴霧電離(desorption electrospray ionization，DESI)質譜成像。本文評述了這三種質譜成像的原理、技術及其在科學研究和臨床研究中的應用。三種質譜成像的特點可總結為: 空間解析度分別在100，10，0.1~1 μm數量級左右；工作介質分別為大氣壓、真空/低氣壓、真空；分析對象分別為小分子、肽/蛋白/核酸、小分子或無機元素；應用領域大致為環境/生物醫學、生物醫學、環境/材料科學。

鄭海榮 研究員

中國科學院深圳先進技術研究院

邱維寶 研究員

中國科學院深圳先進技術研究院

鄭海榮，邱維寶，王叢知，牛麗麗，嚴飛，蔡飛燕，鄒超，隆曉菁，喬陽紫，肖楊

近年來，醫學超聲波新技術層出不窮，超聲已從傳統的基於聲阻抗差異的物理成像診斷，逐步向「診斷-給藥-治療」的多功能診療技術融合。受益於力學效應等聲波物理特性的新應用以及信息技術發展，新型超聲成像技術，包括超聲彈性成像、超聲分子影像、超快與超分辨超聲成像等極大地拓展了醫學超聲成像技術的應用：彈性超聲可獲取組織的力學參數、高解析度超聲可獲取微米級解析度的微細血管圖像。此外，新型聲鑷、超聲操控給藥、神經調控技術和血腦屏障可逆開啟等為腦疾病治療和腦科學研究提供了獨特的方法和工具。超聲的機械波屬性與磁共振成像的兼容，為影像引導精準治療發展提供一種天然的優勢技術。本文對超聲成像與治療技術近來的代表性研究進展進行了系統性的介紹，並分析探討了診療新技術值得關注的發展方向。

堯德中 教授

電子科技大學生命科學與技術學院

四川省腦科學與類腦智能研究院

卓彥 研究員

中國科學院生物物理研究所

張楊松，卓彥，堯德中

無創腦電磁成像技術以其高時間解析度，且可通過源成像技術有效提高空間解析度的優勢，在推進大腦認知原理和腦疾病機制研究中起著不可或缺的作用。本文從腦電/磁信號處理、腦電/磁逆問題、腦電/磁設備、腦電/磁應用等幾個主要方面，綜述了相關研究的主要進展，探討了腦電/磁領域的若干前沿問題，展望了今後需要重點關注的方向。

高家紅 教授

北京大學物理學院

北京大學前沿交叉學科研究院

高家紅，雷皓，陳群，杜一平，梁棟，卓彥，龔啟勇，周欣

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是目前臨床醫學診斷和基礎生命科學研究中最重要的影像學工具之一，具有無損無創、軟組織對比度高、成像參數和對比度眾多、圖像信息豐富等特點。近年來，磁共振成像在儀器技術和應用研究方面都取得了飛速的發展。超高場強、超快速和超靈敏磁共振成像等一批尖端成像技術正在走向臨床，並與大數據、人工智慧、診療一體化等其他先進技術相互滲透、相互融合。在應用研究方面，磁共振成像在腫瘤分子影像、腦功能成像、腦連接組研究等方面也正發揮著越來越重要的作用。本文簡介了磁共振成像發展歷史及基本原理，梳理了磁共振成像儀器技術、方法學和應用研究中的關鍵科學問題，提出了我國磁共振成像研究的發展思路和重點研究方向。

蔣田仔 研究員

中國科學院自動化研究所

左年明，蔣田仔

隨著腦影像技術和計算技術等領域的發展，基於活體影像的腦科學研究呈爆發式增長，並受到來自多種不同學科領域研究人員的廣泛關注，其中包括神經科學、臨床醫學、心理學以及工程技術等學科領域。近年來，不同學科交叉融合形成了新的研究方向和領域，這也是腦科學發展獨具學科特色的研究模式。對於活體人腦結構和功能信號的檢測技術而言，許多技術在基礎科研和臨床上已經得到比較廣泛的應用，包括多模態磁共振技術、腦電及腦磁技術等。與此同時，腦科學研究在時間和空間解析度上對腦信號檢測技術提出了更高的要求，由此產生的數據為後期的數據挖據、建模分析等技術帶來了更多的挑戰。為了更好地描述從多時空尺度研究大腦的模式，本團隊在國際上提出了「腦網絡組學」的概念。本文系統回顧了目前基於影像的腦科學研究在非侵入性宏觀影像層面有代表性的技術，同時強調了多模態多種技術的聯合應用，即「腦網絡組學」的研究背景和內涵。文章最後對腦網絡組學研究發展作出展望。

田捷 教授

北京航空航天大學醫工交叉研究院

中國科學院自動化研究所

西安電子科技大學

宋彬 教授

四川大學華西醫院

李宏軍 教授

首都醫科大學附屬北京佑安醫院

韓玉齊，魏靖偉，蔣涵羽，牛猛，劉兵，付芳芳，顧東升，郝小涵，李宏軍，宋彬，田捷

隨著腦影像技術和計算技術等領域的發展，基於活體影像的腦科學研究呈爆發式增長，並受到來自多種不同學科領域研究人員的廣泛關注，其中包括神經科學、臨床醫學、心理學以及工程技術等學科領域。近年來，不同學科交叉融合形成了新的研究方向和領域，這也是腦科學發展獨具學科特色的研究模式。對於活體人腦結構和功能信號的檢測技術而言，許多技術在基礎科研和臨床上已經得到比較廣泛的應用，包括多模態磁共振技術、腦電及腦磁技術等。與此同時，腦科學研究在時間和空間解析度上對腦信號檢測技術提出了更高的要求，由此產生的數據為後期的數據挖據、建模分析等技術帶來了更多的挑戰。為了更好地描述從多時空尺度研究大腦的模式，本團隊在國際上提出了「腦網絡組學」的概念。本文系統回顧了目前基於影像的腦科學研究在非侵入性宏觀影像層面有代表性的技術，同時強調了多模態多種技術的聯合應用，即「腦網絡組學」的研究背景和內涵。文章最後對腦網絡組學研究發展作出展望。

顧力栩 教授

上海交通大學醫療機器人研究院

趙愉，王得旭，顧力栩

計算機輔助診斷是醫學影像分析發展的重要方向之一。該技術具有精確定量分析、可重複處理，降低影像醫師工作負擔等優點。本文對近年來國內外基於人工智慧技術的計算機輔助診斷技術的研究進展進行了綜述和討論，介紹了當前針對醫學影像的計算機輔助診斷系統所涉及的人工智慧算法、流程及相關技術，分析了目前研究所存在的不足和挑戰，並提出了有可能彌補這些不足的新思路。通過深入的分析研究發現，相比傳統有監督學習方法，半監督學習方法更貼近醫學任務的實際需求，同時也能大幅降低系統的實現成本，因此本文認為，對半監督方法的研究與發展是醫學影像分析領域的研究新趨勢，對醫學影像的計算機輔助診斷系統的研究有重要意義。