19、生物医学成像技术的多元世界

生物医学成像技术的多元世界

1. 生物医学成像概述

生物医学成像主要有解剖成像和功能成像两大应用领域。虽然这两者的区分有时较随意，但它们体现了不同成像方式的整体能力。此外，生物识别成像系统也得到广泛应用，用于个人身份识别。此前介绍的一些成像技术，如磁共振成像、X射线计算机断层扫描和超声，虽能实现近实时三维成像，但在早期疾病诊断所需的细胞级分辨率方面有所不足，细胞成像需小于10μm的空间分辨率。

2. 解剖成像方法

2.1 光学显微镜

光学显微镜是广为人知的生物医学成像设备，它能呈现小生物结构直至细胞层面的细节。其基本光学放大原理是：物镜置于略大于会聚透镜焦距处形成实像，目镜将该实像进一步放大成虚像，人眼观察时在视网膜上形成实像。目镜放大倍数计算公式为：
[M_{ocular}=\frac{h_i}{h_o}=\frac{d_i}{d_o}]
物镜放大倍数常用角放大率表示：
[M_{objective}=\frac{\theta’}{\theta}]
组合放大倍数为目镜与物镜放大倍数之积。不过，光学显微镜的放大倍数受限于镜片和孔径产生的衍射图案，以及人眼的分辨能力，最大有效放大倍数仅600倍。其主要缺点是需要组织切片，这涉及侵入性的活检过程。如今，专业显微镜常配备相机用于记录组织学图像，还可运用图像处理技术提升图像质量。

2.2 荧光显微镜

19世纪末，乔治·G·斯托克斯发现荧光现象，即某些生物样本受光照后发射的光波长比照射源长。基于此，荧光显微镜得以发展。一些生物分子和物体具有自发荧光，而对于无荧光的组织，可使用人工荧光团进行染色。荧光显微镜主要用于检测细胞和组织中的特