光电成像原理及技术

光电成像原理及技术（精选9篇）

1.光电成像原理及技术 篇一

光电传感器工作原理.txt21春暖花会开！如果你曾经历过冬天，那么你就会有春色！如果你有着信念，那么春天一定会遥远；如果你正在付出，那么总有一天你会拥有花开满圆。光电传感器工作原理（红外线光电传感器原理）

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

分类和工作方式

⑴槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电开关

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

⑷扩散反射型光电开关

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

2.光电成像原理及技术 篇二

PET/CT是将PET和CT有机结合起来的一种先进的核医学影像设备, CT在PET中主要作用是解剖结构和定位, PET可提供正电子放射药物的代谢信息, 在检查结果上主要描述病变组织代谢功能的准确变化, 及其与周围脏器和组织的关系, 灵敏度高, 有很强的功能显像优点。

1. PET/CT概述

PET是英文名称Positron Emission Tomography的缩写, 即“正电子发射断层扫描仪”。在PET扫描过程中, 注入人体的放射性核素发生β+衰变产生正电子, 正电子进一步与组织器官中的电子发生湮灭, 产生一对具有511KeV但方向相反飞出的γ光子, PET利用其封闭环绕型探测器阵列对这些背对背的光子进行符合测量 (即电子准直) , 形成投影线, 利用计算机处理投影数据进行图像重建求解出待测组织或器官的放射性药物分布, 以研究待测组织或器官的功能。PET是在分子水平上利用影像技术研究人体组织代谢和受体功能的一种最先进的设备, 已成为肿瘤、心及脑疾病诊断的一种最有效的方法, 被誉为20世纪最伟大的十项发明之一。大多数疾病的生化变化先于解剖学的变化, 因此PET能提供很多疾病在发展过程中的早期信息, 可以进行超前诊断。比如癌症的葡萄糖代谢率比正常组织的代谢率高, 据此就可从PET的葡萄糖代谢功能图像清楚地断定肿瘤的良恶性, 是否已转移, 以及较精确地定出癌症的范围等, 以便较彻底地切除, 从而减少复发率。尽管PET可以提供组织的代谢或功能信息, 但PET的分辨率差, 解剖定位差。

CT (Computed Tomography) 是最常用的医学结构成像设备之一, 利用人体组织密度差进行成像, 其空间分辨可达到亚毫米级。CT虽然也能用于检测癌症, 但只能用于疾病过程已经引起了较大的解剖学变化时的情况, 如肿瘤发展较大, 也就是大多发展到中晚期以后, 才能检测出来。

CT与PET的有机结合可将解剖结构影像与功能/代谢/生化影像精确重叠显示, 使医生获得最为全面的信息, 这对疾病的诊断, 尤其是对肿瘤的诊断、定位和治疗计划有很大帮助。一体化双模式PET/CT中, CT和PET数据是在同一次扫描和同一坐标框架中采集的, 从而提供了两种模式之间的准确的空间定位关系。

另外, 在PET/CT中CT还可提供PET的衰减校正。由于CT采集的统计量大, 且在1、2分钟内即可完成, 由此可直接得到足够精度的衰减校正系数, 而传统的PET放射性棒源扫描则大概需要每床位几分钟到10分钟的时间。可见, 使用PET/CT, 整个病人扫描时间可明显缩短, 这有利于减少运动伪影和减轻病人检查时的痛苦, 特别是危重患者。在PET/CT中可利用CT的高分辨图像对PET可疑病灶进行解剖定位, 可降低PET显像中的假阳性, 提高小病灶的检出率。

, 由上可见, CT与PET的有机结合可起到优势互补的作用, 是一个1加1大于2的技术整合。大多数PET/CT产品也可以支持单独PET与单独CT操作使用, 整个设备的利用效率高。

2. PET/CT系统构成与工作原理[2]

PET/CT系统集成了以下两种医学成像技术:用于解剖成像的计算机X射线断层扫描成像 (CT) 和用于功能成像的正电子发射断层摄影术 (PET) 。

其中CT部分由操作台、检查床、X射线控制器、高压发生器、X射线管组件、CT扫描架、图像处理硬件单元等组成;其软件部分包括CT数据采集与重建、CT临床诊断、CT数据库管理等软件包。

PET部分由PET扫描架、探测器环、前端与符合电子学、数据采集与PET图像校正、重建、显示、融合与分析计算机等组成。

PET/CT软件部分还包括功能强大的后端图像融合/临床分析工作站, 其具有图像融合与处理, 显示诊断, 数据库管理等功能。

在PET/CT成像方案中, CT图像是使用螺旋扫描技术获得的。在一次扫描过程中患者在同一扫描孔中移动, 分别进行CT扫描和PET扫描。PET采集可能将其中的几个轴向区域 (床位) 进行拼接, 用于大范围 (如躯干, 多床位) 成像。将患者安置在检查床上, 通过移动检查床底座运动装置可将患者从CT图像面成像区移动到PET成像区。

PET/CT系统中, 由CT扫描获取病人平面像和断层图像, 传输到PET子系统, 为后续PET扫描提供床位规划, 提供PET衰减校正所需的“衰减图像”, 对PET图像进行基于CT图像的衰减校正 (CTAC) , 完成PET图像和CT图像的融合。由于是“同机配准”, 因而可获取配准精度很高的CT和PET的融合图像, 形成有效的PET/CT检查项。融合后的PET/CT图像数据传输到图像融合/临床分析工作站, 该工作站有多种临床处理协议, 如大脑静态协议、全身静态协议等, 可方便对不同类型病人图像数据进行处理、融合、诊断与定量分析, 具有DICOM3输出功能, 可输出病人数据、打印报告与胶片。

3. PET/CT的发展方向

PET/CT是一种新的影像技术, 是分子影像学的重要组成部分, 它的作用和影响力才刚刚显现出来, 其巨大应用潜力有待进一步实践和检验。PET/CT的技术发展可以说是日新月异。10年时间, PET的晶体从BGO到LSO、GSO和LYSO, CT的排数也从双排进入64排、128排。飞行时间技术 (TOF) 也应用到PET/CT, 成为商业产品。该技术随着晶体分辨时间的提高, 将对PET/CT的性能改进产生重大影响。另外, 重建技术, 扫描时间都在大大提高, 过去1h的检查, 现在可在10min, 甚至5min内完成。PET/CT在放射治疗中的应用已逐渐进入一个新的领域, 用于生物靶区定位、生物调强放疗。与PET相融合的技术也在扩展, 除了PET/CT, 还出现了PET/MRI的应用。但无论哪种融合, 这些融合机型的本质仍为PET, CT和MRI仅是为了弥补PET解剖的不足, 使其功能更加完美。还应强调的是, 任何一种影像技术或设备都是互补的, 无法去取代另一种, PET/CT也是如此, 它不会被任何其他的影像技术取代, 同时他也不能取代其他影像技术。

目前, PET/CT各种技术的发展突飞猛进, 以追求更快的采集速度和更高的图像质量。下文就从采集方式、图像重建、图像融合等方面的技术发展趋势进行简要介绍。

3.1 采集方式

在传统的PET/CT中, 一般采用2D模式采集。2D采集时探头环与环之间放置了铅或钨等材料做成的隔离片, 主要是为了防止轴向视野上发生错环符合事件, 由于铅栅的阻隔, 有相当一部分的符合事件被阻挡, 造成了系统灵敏度的不足。随着电子准直技术的应用, PET省去了笨重的铅栅, 实现了真正意义上的3D采集。电子准直是利用湮灭辐射产生在一条直线上, 对方向相反的两个γ光子, 是用两个相对探测器来确定闪烁点位置的一种方法, 它的应用使得探测器轴向视野明显增大, 采集信息明显增多。应用3D采集模式后, 灵敏度是原来2D采集的10倍以上, 大大节省了采集时间。

3.2 图像重建

图像重建是指将PET采集到的信息通过一定的计算方重新建立诊断用图像的关键技术。

早期的PET一般采用滤波反投影法 (filtered back projection, FBP) , 它属于解析变换方法。其优点是计算过程简单, 重建速度较快, 易于临床实现, 缺点是得到的PET图像噪声较高, 分辨率和定位精度较差。

飞行时间技术 (Time of Flight, TOF) 于20世纪60年代提出, 在20世纪80年代成熟, 是PET技术主要发展方向之一。核医学之父Wagner教授曾经指出:“TOF PET已经成为PET未来发展的方向”。TOF是通过测定正电子湮灭时发出的一对光子到达探测器时间的不同而直接计算出湮灭发生的具体位置。具体而言, 一台时间分辨率在500ps的TOF-PET, 它的正电子闪烁事件定位精度可以在7.43cm以内, 而传统技术是70cm内, 从而极大地降低了图像的噪声水平, 这样通过图像的信噪比的提高达到改善图像质量的效果。目前, TOF技术无法提高PET的分辨率, 也无法解决远离视野中心图像分辨率下降的问题, 但是它能够提高图像对比度, 从而改善大体重患者PET图像的质量。TOF技术还可以显著减少采集计数的丢失, 提高系统灵敏度, 减少患者的注射药量, 从而降低对受检者的辐射剂量。

TOF技术的发展, 使得用于临床和研究中的PET设备已经从技术上划分为不带TOF功能的PET和具有TOF功能的PET两种类型。TOF技术的发展, 对影响其发展的晶体要求也越来越高, 因此快速采集晶体的发展已是必然趋势。目前TOF-PET的系统时间分辨率一般在500ps, 对正电子的定位精度已经可以达到7cm, 衰减时间短的LSO晶体和LYSO晶体越来越受到青睐。如果采用LaBr3 (溴化镧) 晶体, TOF-PET的系统时间分辨率可以达到300ps以内, 那么正电子的定位精度将更小, 图像质量和扫描速度将会得到进一步提升。理论上, TOF-PET的系统时间分辨率达到20ps, 晶体切割合理, 正电子的定位精度将可以达到3mm, PET将彻底去除图像重建的需要。

3.3 图像融合[3]

PET/CT是PET和CT两种扫描方式的融合, 其图像的生成是通过软件将PET和CT独立产生的两种图像配准进行融合得到的。虽然两次扫描在同一检查床上完成, 但图像融合的精度仍然受到扫描床的位移、人体器官的位移等因素影响。

由于PET和CT的检查床板伸出的长度不一致, 因此受到的力矩大小也不相同, 很容易造成床板下沉的角度不一致, 从而影响对位的精度。为了尽量减小扫描床位移所造成的影响, 有的公司采用了双层搁板托架技术, 有的采用了底座驱动单支点悬臂式技术, 有的采用了双位抽屉技术, 都极大降低了两种检查扫描床位移引起的对图像融合精度的影响。

图像融合技术的真正突破有赖于PET/CT机架一体同机融合。目前, PET/CT虽然都叫机架一体, 但实际上PE和CT依旧是分开的, 并没有达到共同的探测器、共同的旋转平台, 以及共同的计算机系统。而半导体探测器具有较高的固有灵敏度、分辨率, 可以同时实现X射线和γ射线共同成像, 因此代表了PET探测器新的发展方向。随着碲化镉 (CdTe) 探测器等各种半导体探测器的研究发展和应用, 可以直接利用这种技术开发X射线+γ射线的新型探测器, 直接达到PET和CT同时采集, 同时处理, 实现真正意义上完全同步采集处理, 彻底解决因为采集时差和位差带来的图像伪影等问题。

4. 总结

随着临床应用的进一步普及和医学界对PET/CT成像的科学价值、应用前景达成广泛共识, 可以预见, 未来医学及生命科学的重大突破将在一定程度上依赖PET/CT技术及其发展, 它将促进医学成像领域的一场新革命。

摘要：PET/CT是正电子发射断层 (PET) 和X线CT同机融合的新型医学影像设备, 它把解剖与功能影像有机的融为一体。本文对PET/CT系统构成及工作原理进行了概述, 重点介绍了PET/CT技术的发展状况及其未来发展趋势。

关键词：PET/CT,成像原理,发展

参考文献

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[2]刘健, 张晓军, 张锦明等.国产PET/CT技术进展[J], 中国医疗器械信息, 2013, 10 (5) :21~24.

3.光电成像原理及技术 篇三

关键词： 光电成像； 目标定位； 蒙特卡罗法； 定位误差分析

中图分类号： V 249文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.015

引言无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）由于具有体积小、重量轻、机动灵活、隐蔽性强、不造成人员伤亡等优点，使其在现代战争中发挥愈来愈大的作用[1]。利用无人侦察机获取敌方地面目标的精确坐标并及时提供给攻击型武器系统的方法正成为一种全新高效的作战模式。目前已有的能够对目标地区进行定位的方法主要有雷达定位和卫星定位，但这两种定位方法容易受到电磁波的干扰，而且成本相对较高。随着无人机技术的发展，利用无人机上的航空摄像机实时传回遥感图像的方法已成为一种新的定位技术[2]。这种定位装置简单，操作方便，成本较低，是一种可行的定位方法。随着现代技术的发展，对无人机的性能指标，尤其是对其定位精度指标提出了愈来愈高的要求。定位精度的高低将直接影响到目标状态参数的评估以及战场形势的分析。因此如何找出影响定位精度的主要因素，减小定位误差，是高性能光电成像设备设计中的一个重要课题。目标定位系统的误差模型可以利用数学模型中全微分法推导，但由于涉及的参数过多，求偏导显然是一个繁琐而难于求解的问题，实际上往往采用简化的不确定性概率模型进行模拟仿真，而蒙特卡罗模拟分析方法[3]可以有效地解决这个难题，为无人机繁琐的定位精度分析提供一个直观而又易于理解的分析手段。1目标定位算法

1.1坐标系定义在用无人机光电成像侦察系统对目标进行定位的过程中需要定义以下几个坐标系[4]。载机地理坐标系以载机的质心Os为原点，Ys轴指向天顶方向，Xs轴指向正东方向，Zs轴指向正南方向，将其标为OsXsYsZs。地面坐标系以某一地面测量站Og为原点，三轴与载机地理坐标系三轴平行，将其标为OgXgYgZg。当载机的姿态角为零时，载机机体坐标系三个坐标轴同载机地理坐标系三个坐标轴完全重合，将其标为OaXaYaZa。摄像机坐标系是以摄像机中心Ob为坐标原点，当摄像机的偏转角为零时，摄像机坐标系的三轴与载机机体坐标系三轴相互平行，将其标为ObXbYbZb。像片坐标系以摄像机透镜光轴与像片平面的交点Op为原点，Xp，Zp坐标轴与像片行列平行。

目标定位过程具体的目标定位过程是：首先根据航拍图像[5]中像点在像片坐标系中的位置，算出像点在摄像机坐标系中的坐标，然后根据摄像机坐标系与载机机体坐标系间的关系，计算它们之间的转换矩阵，求解像点在载机机体坐标系中的坐标，再根据载机机体坐标系与载机地理坐标系间的转换关系，求解出像点在载机地理坐标系中的坐标，最后再根据像点与目标点之间的几何关系，求解出目标在地面坐标系中的坐标，完成对目标的定位[6]。目标定位的实质是解决不同坐标系之间的矩阵转换问题。

1.3坐标求解算法如图1所示为目标定位坐标示意图，设感兴趣目标A进入无人机光电平台摄像机透镜的视场后，其相对于摄像机透镜光轴与像片平面的交点的十字中心偏差为（xM，zM），即目标在像片坐标系中的像点M坐标为（xM，zM）。则目标定位的坐标求解步骤如下：（1）像片坐标系p到摄像机坐标系b的转换由于像片坐标系与摄像机坐标系是相互平行的。因此，像点M在摄像机坐标系中的坐标为（xM，yM，zM）。（2）摄像机坐标系b到载机机体坐标系a的转换（xa，ya，za）T=Q2Q1（xM，yM，zM）T（1）其中：Q2=cosα0sinα

（4）载机地理坐标系s到地面坐标系g的转换设无人机在地面坐标系中的坐标为xc，yc，zc（由GPS测得），目标在地面坐标系的坐标为xa，ya，za，则由相似三角形几何关系可得xa-xcxs=ya-ycys=za-zczs（4）取yM=-f，ya=0，yc=h代入上式，可得目标在地面坐标系的坐标为（xa，ya，za）。即xa=xc-ha11xM-a12f+a13zMa21xM-a22f+a23zM

ya=0

za=zc-ha31xM-a32f+a33zMa21xM-a22f+a23zM（5）通过上面的坐标变换，解出了目标在地面坐标系中的坐标值，而一般航空技术中习惯用大地坐标即经纬度表示，因此需要进行坐标转换，具体转换公式及其方法见文献[7]。2定位精度分析

2.1定位误差模型目标定位精度是机载光电成像侦察系统一个关键性的指标[8]，它直接决定该系统的性能优劣。为了使定位结果有更高精度，需分析定位过程中存在的误差[910]。从式（5）可以看出，目标在地面坐标系中的坐标值与各参数的关系为xa=f（α，β，ψ，θ，φ，f，h，xc，zc，xM，zM）（6）

za=g（α，β，ψ，θ，φ，f，h，xc，zc，xM，zM）（7）即无人机光电成像目标定位误差取决于（α，β，ψ，θ，φ，f，h，xc，zc，xM，zM）各量的测量误差。根据误差传播定律，若各测量参数的随机误差为mα、mβ、mψ、mθ、mφ、mxc、mzc、mxM、mzM、mh、mf，且各个变量相互独立，则目标的定位误差为m2xa=fα2m2α+fβ2m2β+fψ2m2ψ+fθ2m2θ+fφ2m2φ+fxc2m2xc+

fzc2m2zc+fxM2m2xM+fzM2m2zM+fh2m2h+ff2mf2（8）

m2za=gα2m2α+gβ2m2β+gψ2m2ψ+gθ2m2θ+gφ2m2φ+gxc2m2xc+

nlc202309051232

gzc2m2zc+gxM2m2xM+gzM2m2zM+gh2m2h+gf2m2f（9）

序号变量名称名义值误差分布误差量1视轴方位角α=45°正态分布Mα=0.2°2视轴高低角β=-60°正态分布Mβ=0.2°3无人机偏航角ψ=10°正态分布Mψ=0.2°4无人机俯仰角θ=3°正态分布Mθ=0.2°5无人机横滚角φ=4°正态分布Mφ=0.2°6无人机x轴坐标xc=1 000 m正态分布Mxc=20 m7无人机z轴坐标zc=1 500 m正态分布Mzc=20 m8无人机飞行高度h=2 000 m正态分布Mh=10 m9摄像机焦距f=0.05 m正态分布Mf=0.005 m10目标点屏幕x轴坐标xM=0.002 m正态分布MxM=0.000 1 m11目标点屏幕z轴坐标zM=0.004 m正态分布MzM=0.000 1 m

由于以上公式过于复杂，通过全微分来得到目标定位误差的方法将难以实现，这里可以采用蒙特卡罗法来模拟误差的随机抽样值，从而模拟出目标定位误差的样本值，随着模拟次数的增多，模拟结果就会与实际结果非常相近，且具有很高的置信度。

2.2用蒙特卡罗法分析定位误差为了对目标定位精度进行分析，首先需要设定各个量的名义值和误差值，将各误差因素的名称、误差因素的概率密度分布类型及其分配的统计特征值[11]数据列于表1中[12]。运用蒙特卡罗模拟法进行MATLAB仿真的具体步骤如下：（1）启动并初始化应用程序；（2）首先按参数0误差，输入各个参数名义值（如表1），求得目标无误差时的定位结果，保存结果；（3）运用randn（）函数，生成各个量的伪随机序列，要求其长度是1 000并服从或近似服从正态分布；（4）在伪随机序列中抽取随机误差量，根据蒙特卡罗法，计算得到加入误差量后的定位结果；（5）如此进行1 000次的循环，对目标位置进行统计并输出结果。对加入误差的定位方程，用MATLAB进行1 000次循环仿真，得到目标在地面坐标系的x向、y向、z向的定位结果的误差分布和定位结果的空间位置分布，如图2所示。

从图2可见，目标在大地坐标系中的坐标值呈中心分布，中心某点的概率最大，越往外概率就越小。由概率论可知，概率大的位置，成为目标定位结果的可能性越高。最后经过数据分析，发现在（4 569.52，2 002.35，3 568.84）处最密集，即该点成为目标点的概率最高，此结果同无误差定位的结果（4 586.10，2 000.00，3 568.60）基本一致。同时可以看出，目标在地面坐标x向，y向，z向上的定位误差，近似服从均值为零的正态分布。为得到目标定位误差同各参数间的关系，可以采用控制变量法，即控制其它参数的名义值以及误差都不变，改变其中某一个参数的名义值或误差值，由此得出该参数或其误差对目标定位精度的影响。图3，图4，图5三图分别给出了目标的定位精度随飞机的飞行姿态（偏航，俯仰，横滚）误差的变化情况。从中可以看出，当飞机的偏航角，俯仰角和横滚角分别引入1°误差[13]时，目标在x轴和z轴方向上的定位误差分别为35.94 m和63.50 m，137.60 m和53.12 m，87.88 m和87.88 m。通过MATLAB对各个变量进行一一仿真，现将各个参数对目标定位精度的影响列于表2。

由表2可以看出：在光电成像侦察系统下该目标的定位误差主要由角度误差引起，包括无人机姿态角度误差以及光电成像平台镜头角度误差；而无人机本身的载机定位，像点在像片坐标系中的坐标，摄像机的焦距以及无人机的飞行高度等因素对目标的定位精度影响较小。通过以上误差分析，可以选用高精度的航姿测量系统，采用差分GPS定位方式，提高光电成像平台的测角精度等一系列措施来提高目标定位精度，减小定位误差。3结论本文介绍了一种基于航拍图像的目标定位算法，该算法利用航拍图像上像点位置与目标点位置的几何关系建立多种坐标系。通过坐标转换法，推导了无人机光电成像系统对地面目标的定位方程，最终解出目标的地理位置信息。然后着重利用蒙特卡罗模拟法对目标定位误差进行MATLAB仿真，通过仿真和详细的分析，得出了各个参数及其误差与定位精度间的关系，其中无人机姿态角度误差以及光电成像平台角度误差对目标定位精度影响较大。仿真结果表明：该算法的定位精度可满足无人机对大地目标进行实时定位要求，实现了航拍图像指定目标的便捷定位。参考文献：

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4.伽利略望远镜的成像原理 篇四

他先观测到了月球的高地和环形山投下的阴影，接着又发现了太阳黑子，此外还发现了木星的4个最大的卫星。自那以后，科学技术已经获得了长足进步，光学技术的.腾飞促使科学仪器不断更新。当今最先进的地面望远镜具有庞大的结构，直径达10米的灵活转动镜片。然而，现代高级的天文望远镜都是在前人基础上发展起来的。

16的秋天，身兼帕多瓦大学数学、科学和天文学教授的伽利略，制作出了一个放大倍数为32倍的望远镜。伽利略将镜头首次对准了月球，这是人类首次对月面进行科学观测。

161月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等。

5.高级扫描技术及原理 篇五

Scan，是一切入侵的基础，扫描探测一台主机包括是为了确定主机是否活动、主机系统、正在使用哪些端口、提供了哪些服务、相关服务的软件版本等等，对这些内容的探测就是为了对症下药。对主机的探测工具非常多，比如大名鼎鼎的nmap、netcat、superscan，以及国内的X-Scanner等等。

ICMP协议PING是最常用的，也是最简单的探测手段，用来判断目标是否活动。实际上Ping是向目标发送一个要求回显（Type = 8）的ICMP数据报，当主机得到请求后，再返回一个回显（Type = 0）数据报。而且Ping 程序一般是直接实现在系统内核中的，而不是一个用户进程。Ping是最基本的探测手段，Ping Sweep（Ping扫射）就是对一个网段进行大范围的Ping，由此确定这个网段的网络运作情况，比如著名的fping工具就是进行Ping扫射的。

不过现在连基本的个人防火墙都对Ping做了限制，这个也太基本了。如果透过防火墙，如何获得最理想的目标图，也是很多人整天思考的问题。我们这里介绍的一些扫描技术就是要尽可能地绕过一些安全防护设备，并且尽量保护自己，同时达到我们需要的目的。

一、高级ICMP扫描技术

Ping就是利用ICMP协议走的，高级的ICMP扫描技术主要是利用ICMP协议最基本的用途：报错。根据网络协议，如果按照协议出现了错误，那么接收端将产生一个ICMP的错误报文。这些错误报文并不是主动发送的，而是由于错误，根据协议自动产生。

当IP数据报出现checksum和版本的错误的时候，目标主机将抛弃这个数据报，如果是checksum出现错误，那么路由器就直接丢弃这个数据报了。有些主机比如AIX、HP-UX等，是不会发送ICMP的Unreachable数据报的。

我们利用下面这些特性：

1、向目标主机发送一个只有IP头的IP数据包，目标将返回Destination Unreachable的ICMP错误报文。

2、向目标主机发送一个坏IP数据报，比如，不正确的IP头长度，目标主机将返回Parameter Problem的ICMP错误报文。

3、当数据包分片但是，却没有给接收端足够的分片，接收端分片组装超时会发送分片组装超时的ICMP数据报。

向目标主机发送一个IP数据报，但是协议项是错误的，比如协议项不可用，那么目标将返回Destination Unreachable的ICMP报文，但是如果是在目标主机前有一个防火墙或者一个其他的过滤装置，可能过滤掉提出的要求，从而接收不到任何回应。可以使用一个非常大的协议数字来作为IP头部的协议内容，而且这个协议数字至少在今天还没有被使用，应该主机一定会返回Unreachable，如果没有Unreachable的ICMP数据报返回错误提示，那么就说明被防火墙或者其他设备过滤了，我们也可以用这个办法来探测是否有防火墙或者其他过滤设备存在。

利用IP的协议项来探测主机正在使用哪些协议，我们可以把IP头的协议项改变，因为是8位的，有256种可能。通过目标返回的ICMP错误报文，来作判断哪些协议在使用。如果返回Destination Unreachable，那么主机是没有使用这个协议的，相反，如果什么都没有返回的话，主机可能使用这个协议，但是也可能是防火墙等过滤掉了。NMAP的IP Protocol scan也就是利用这个原理。

利用IP分片造成组装超时ICMP错误消息，同样可以来达到我们的探测目的。当主机接收到丢失分片的数据报，并且在一定时间内没有接收到丢失的数据报，就会丢弃整个包，并且发送ICMP分片组装超时错误给原发送端。我们可以利用这个特性制造分片的数据包，然后等待ICMP组装超时错误消息。可以对UDP分片，也可以对TCP甚至ICMP数据包进行分片，只要不让目标主机获得完整的数据包就行了，当然，对于UDP这种非连接的不可靠协议来说，如果我们没有接收到超时错误的ICMP返回报，也有可能时由于线路或者其他问题在传输过程中丢失了。

我们能够利用上面这些特性来得到防火墙的ACL（access list），甚至用这些特性来获得整个网络拓扑结构。如果我们不能从目标得到Unreachable报文或者分片组装超时错误报文，可以作下面的判断：

1、防火墙过滤了我们发送的协议类型

2、防火墙过滤了我们指定的端口

3、防火墙阻塞ICMP的Destination Unreachable或者Protocol Unreachable错误消息，

4、防火墙对我们指定的主机进行了ICMP错误报文的阻塞。

二、高级TCP扫描技术

最基本的利用TCP扫描就是使用connect，这个很容易实现，如果目标主机能够connect，就说明一个相应的端口打开。不过，这也是最原始和最先被防护工具拒绝的一种。

在高级的TCP扫描技术中主要利用TCP连接的三次握手特性和TCP数据头中的标志位来进行，也就是所谓的半开扫描。

先认识一下TCP数据报头的这六个标志位。

URG：（Urgent Pointer field significant）紧急指针。用到的时候值为1，用来处理避免TCP数据流中断

ACK：（Acknowledgment field significant）置1时表示确认号（Acknowledgment Number）为合法，为0的时候表示数据段不包含确认信息，确认号被忽略。

PSH：（Push Function），PUSH标志的数据，置1时请求的数据段在接收方得到后就可直接送到应用程序，而不必等到缓冲区满时才传送。

RST：（Reset the connection）用于复位因某种原因引起出现的错误连接，也用来拒绝非法数据和请求。如果接收到RST位时候，通常发生了某些错误。

SYN：（Synchronize sequence numbers）用来建立连接，在连接请求中，SYN=1，ACK=0，连接响应时，SYN=1，ACK=1。即，SYN和ACK来区分Connection Request和Connection Accepted。

FIN：（No more data from sender）用来释放连接，表明发送方已经没有数据发送了。

TCP协议连接的三次握手过程是这样的：

首先客户端（请求方）在连接请求中，发送SYN=1，ACK=0的TCP数据包给服务器端（接收请求端），表示要求同服务器端建立一个连接；然后如果服务器端响应这个连接，就返回一个SYN=1，ACK=1的数据报给客户端，表示服务器端同意这个连接，并要求客户端确认；最后客户端就再发送SYN=0，ACK=1的数据包给服务器端，表示确认建立连接。

我们就利用这些标志位和TCP协议连接的三次握手特性来进行扫描探测。

SYN 扫描

这种扫描方式也被称为半打开 扫描，因为利用了TCP协议连接的第一步，并且没有建立一个完整的TCP连接。

实现办法是向远端主机某端口发送一个只有SYN标志位的TCP数据报，如果主机反馈一个SYN ││ ACK数据包，那么，这个主机正在监听该端口，如果反馈的是RST数据包，说明，主机没有监听该端口。在X-Scanner 上就有SYN的选择项。

ACK 扫描

发送一个只有ACK标志的TCP数据报给主机，如果主机反馈一个TCP RST数据报来，那么这个主机是存在的。也可以通过这种技术来确定对方防火墙是否是简单的分组过滤，还是一个基于状态的防火墙。

FIN

对某端口发送一个TCP FIN数据报给远端主机。如果主机没有任何反馈，那么这个主机是存在的，而且正在监听这个端口；主机反馈一个TCP RST回来，那么说明该主机是存在的，但是没有监听这个端口。

NULL

即发送一个没有任何标志位的TCP包，根据RFC793，如果目标主机的相应端口是关闭的话，应该发送回一个RST数据包。

FIN+URG+PUSH

向目标主机发送一个Fin、URG和PUSH分组，根据RFC793，如果目标主机的相应端口是关闭的，那么应该返回一个RST标志。

上面这些办法可以绕过一些防火墙，从而得到防火墙后面的主机信息，当然，是在不被欺骗的情况下的。这些方法还有一个好处就是比较难于被记录，有的办法即使在用netstat命令上也根本显示不出来，而且一般的安全防护设备也根本不记录这些内容，这样能够更好地隐藏自己。

三、高级UDP扫描技术

6.高级扫描技术及原理介绍（1） 篇六

最基本的探测就是Ping，不过现在连基本的个人防火墙都对Ping做了限制，这个也太基本了。如果透过防火墙，如何获得最理想的目标图，也是很多人整天思考的问题。

一、高级ICMP扫描技术

Ping就是利用ICMP协议走的，我们在这里主要是利用ICMP协议最基本的用途：报错，根据网络协议，如果按照协议出现了错误，那么接收端将产生一个ICMP的错误报文。这些错误报文并不是主动发送的，而是由于错误，根据协议自动产生。

当IP数据报出现checksum和版本的错误的时候，目标主机将抛弃这个数据报，如果是checksum出现错误，那么路由器就直接丢弃这个数据报了。有些主机比如AIX、HP-UX等，是不会发送ICMP的Unreachable数据报的。

我们利用下面这些特性：

1、向目标主机发送一个只有IP头的IP数据包，目标将返回Destination Unreachable的ICMP错误报文。

2、向目标主机发送一个坏IP数据报，比如，不正确的IP头长度，目标主机将返回Parameter Problem的ICMP错误报文。

3、当数据包分片但是，却没有给接收端足够的分片，接收端分片组装超时会发送分片组装超时的ICMP数据报。

向目标主机发送一个IP数据报，但是协议项是错误的，比如协议项不可用，那么目标将返回Destination Unreachable的ICMP报文，但是如果是在目标主机前有一个防火墙或者一个其他的过滤装置，可能过滤掉提出的要求，从而接收不到任何回应。可以使用一个非常大的协议数字来作为IP头部的协议内容，而且这个协议数字至少在今天还没有被使用，应该主机一定会返回Unreachable，如果没有Unreachable的ICMP数据报返回错误提示，那么就说明被防火墙或者其他设备过滤了，我们也可以用这个办法来探测是否有防火墙或者其他过滤设备存在，

利用IP的协议项来探测主机正在使用哪些协议，我们可以把IP头的协议项改变，因为是8位的，有256种可能。通过目标返回的ICMP错误报文，来作判断哪些协议在使用。如果返回Destination Unreachable，那么主机是没有使用这个协议的，相反，如果什么都没有返回的话，主机可能使用这个协议，但是也可能是防火墙等过滤掉了。NMAP的IP Protocol scan也就是利用这个原理。

利用IP分片造成组装超时ICMP错误消息，同样可以来达到我们的探测目的。当主机接收到丢失分片的数据报，并且在一定时间内没有接收到丢失的数据报，就会丢弃整个包，并且发送ICMP分片组装超时错误给原发送端。我们可以利用这个特性制造分片的数据包，然后等待ICMP组装超时错误消息。可以对UDP分片，也可以对TCP甚至ICMP数据包进行分片，只要不让目标主机获得完整的数据包就行了，当然，对于UDP这种非连接的不可靠协议来说，如果我们没有接收到超时错误的ICMP返回报，也有可能时由于线路或者其他问题在传输过程中丢失了。

我们能够利用上面这些特性来得到防火墙的ACL（access list），甚至用这些特性来获得整个网络拓扑结构。如果我们不能从目标得到Unreachable报文或者分片组装超时错误报文，可以作下面的判断：

1、防火墙过滤了我们发送的协议类型

2、防火墙过滤了我们指定的端口

3、防火墙阻塞ICMP的Destination Unreachable或者Protocol Unreachable错误消息。

7.HDCT成像原理及临床应用价值 篇七

自1895年伦琴发现X线以来,X线在医学诊断方面发挥了重大的作用,但最大的且具有革命性意义的突破是1972年CT的研制成功,它首先用于颅脑疾病的诊断,很快扩大到全身检查,直至今日成为医学诊断中不可缺少的重要设备。

纵观CT的发展,从头颅扫描到全身扫描,从断层扫描到螺旋扫描,从单排螺旋扫描到多排螺旋扫描,经历了多次的创新,供应商所追求的设计理念都是为获得更高的图像分辨率、更好的图像清晰度、更快的扫描速度、更少的X线剂量、更强大的采集功能、更完善的重建技术等。但当多层的发展受到硬件发展的制约时,如:不断增宽的探测器,便产生了很多影响图像质量的不利因素:超宽体探测器形成的大角度的锥形束造成锥形伪影,即所谓的“屋顶效应”而致CT值的失真;超宽体探测器引起超宽的Z轴扫描使散射线增加而致密度分辨率下降,影响体部临床图像的质量等。因此全球CT生产商开始寻求增加探测器宽度以外的其它CT设计技术,在2009年GE公司成功地推出了一款可用于功能性成像的HDCT,在设计理念上突破了过去20年内所使用的探测器材料范畴,使用了一种全新的检测材料,具有极好光学特性的石榴石作为探测器基材,产生了能谱栅成像的概念。

1 HDCT的能谱栅成像原理

X线在物体中的吸收主要是通过光电效应和康普顿散射两种作用产生。光电效应是指光射入物质后,物质中的电子吸收光子能量并激发出自由电子的行为(图1),康普顿散射是指入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。碰撞时,入射光子把部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子,而散射光子的能量和运动方向发生变化(图2)。

物体在经X线照射后其质量吸收系数随X线能量而变化,同一物体对应不同的X线能量有不同的质量吸收系数,因此用任意两个能量点即可获得物体的质量吸收曲线,不同物体则对应各自固定的特征吸收曲线,而CT值反映的正好是物体对X线的线性吸收,这就获得能谱栅CT成像可定性分离不同物质的基理[1]。在单电压所产生的连续能量X线CT成像过程中所获得的物体质量吸收是平均效应,不同的能量所获得的是不同的平均效应,CT值所反映的也是平均吸收系数,因此无法定性区分物质成份。

1977年CT物理学家Dr.Brooks RA著文阐明任何一种物质对X线的吸收都可用两种“基物质”来表达[2],最常用的基物质是水和碘,在已知水和碘在各能量点的吸收系数μ的情况下,可鉴别其他不同物质:

μ(E)被鉴别物质=a1μ(E)水+a2μ(E)碘

所以能求出a1和a2就可获得需鉴别物质:

μ(E)被鉴别物质=0.88μ(E)水+0.018μ(E)碘

在单能的情况下,选择任意两个不同能量建立能量栅,测出被检物质的两个吸收系数μ(E1)和μ(E2),结合水和碘在该两个不同能量下的μ(E1)水、μ(E2)水、μ(E1)碘、μ(E2)碘,便可测算出相应的a1和a2值,从而可获得对各种物质的测定和分离。

2 HDCT能谱栅成像的实现

综上所述,实现能谱栅成像的关键在于如何在单能扫描的条件下同时获得双能数据,HDCT采用了单源瞬时变能技术解决了这一问题。

2.1 高速瞬时高压发生器

区别于传统的高压发生器,HDCT的高压发生器采用了被称之为快速管电压开关的设计,可以使系统在0.5ms周期内对X线进行80k Vp和140k Vp电压切换,实现瞬时变能目的[3]。

2.2 高速采集的新型探测器

对于探测器来说,X射线激发可见光速度越快越好,初始速度越快,可见光转换速度越快,清空速度越快,余晖效应越小。为了获得对X线快速检测反应,HDCT探测器突破探测器传统材料使用范畴,采用了具有极好的光学特性的石榴石为基材,俗称宝石探测器,其可见光转换速度达到0.03μs,比传统材料加快了近100倍。宝石探测器也是能谱成像的硬件基础,是能谱成像链上关键的环节。它在机架旋转一次的时间内能够实现2496次采集(比64排CT增加了2.5倍),实现了全身的空间分辨率与图像质量的提高。能谱采集每圈实现128层的采集与101个单能谱的成像。

2.3 动态变焦球管

传统的球管不能克服高、低毫安与大、小焦点之间的任意匹配,HDCT的球管使用非常耐用的灯丝材料,采用一个焦点,通过电磁场的聚焦和偏转,实现动态变焦的技术,从而可以根据不同条件自动选择需要匹配的焦点大小。

2.4 ASi R重建引擎

HDCT的DAS系统较传统采样率提高约2.5倍,采集速度达到了目前最高的7131views/s,且采用了全新的数据模型与算法,称之为ASi R重建引擎,该种重建方式可在极低的剂量条件下实现高清晰成像,可使胸部扫描剂量降低26%~29%[4],心脏成像可降低90%。

3 HDCT的临床应用价值

3.1 组织的定性分离和定量测定

HDCT由于采用的能谱栅成像方法,这使得其能量时间分辨率达到0.5ms,是双源CT的100多倍,同进可获得101单光子能级成像,可使水、碘、钙、铁等单独作为一个序列成像。提供了更多的组织信息,使得精确判定物质的组织成分成为可能。

3.2 MARs去除硬化伪影技术

HDCT的单能谱成像和探测器材料的固有物理学特性,可以实现去除硬化伪影。

3.3 全身高清成像

由于新技术新材料的应用,使得HDCT的空间分辨率和低密度分辨率都得到了大幅度的提高,使CT图像获得了很高的清晰度,提高了临床诊断率和鉴别诊断。

3.4 四维动态功能成像

传统CT灌注局限于覆盖范围,无法明确病灶及供血动脉的位置。HDCT利用精准的控制系统实现了螺旋往穿梭式扫描技术,使得灌注覆盖范围远远超过探测器宽度的限制,可达到500排CT(312.5mm)的范围,从而拓展了功能学诊断,可观察动态状况下的生理功能、病变性质、生理特性等。

3.5 全身低剂量成像

HDCT提高的探测器采样效率,采用了全新的数据模型及算法,通过影像链的革命,实现了全身真正意义的低剂量扫描,传统CT心脏平均使用剂量为12m Sv,HDCT可实现0.1m Sv心脏成像,只相当于10张胸片的剂量,因此使心脏平均放射剂量可降低90%左右,全身扫描放射剂量降低50%左右。

4 结束语

HDCT采用新的材料理念、新的设计理念实现了CT扫描技术革命性的突破,改善了图像质量、降低了扫描剂量[5,6],给临床诊断提供了更广更多的发展空间,为心脏冠脉能谱成像、心脏斑块定性定量检测、区分冠状动脉钙化和造影剂、大范围灌注及动态CTA等奠定基础。

参考文献

[1] 郑世才.CT技术和康普顿散射成象检测技术[J].无损检 测,2000(9):423-428.

[2] 郑世才.对ASTM E1742-2008标准射线照相质量级别规定的 讨论[J].无损检测,2009(9):731-737.

[3] 梁长虹,黄飚.多层CT技术飞速发展,临床应用不断创新[J].中 华放射学杂志,2006(9):901-902.

[4] 王爽.多层螺旋CT在肝脏扫描中的应用[D].北京:中国协和医 科大学,2007.

[5] Pfriyanka Prakash MD,Mannudeep K. Kalra MD,et al.Radiation Dose Reduction With Chest Computed Tomography Using Adapitve Statistical Iterative Reconstruction Technique:Initial Experience[J]. J Comput Assist Tomogr,2010,34(1)[Epub ahead of print].

8.软件无线电的主要原理及技术 篇八

本文主要介绍了软件无线电的概念、主要原理、关键技术及在生活中的广泛应用。它是以开放性、标准化、模块化、通用性、可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。首先介绍了软件无线电的理论基础，即带通采样理论，多速率处理信号技术，高效信号滤波，数字正交变换理论，这些都是软件无线电实现的理论基础，然后是其关键技术，宽带智能天线技术，A/D转换技术，数字上/下变频技术，数字信号处理部分，这些技术是实现软件无线电的关键和核心所在。最后，对其应用领域也进行了描述，指出其在个人移动通信，军事通信，电子站，雷达和信息加电中的巨大潜力。

软件无线电这个术语最早是美军为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。陆，海，空三军简单就工作频段来分，解决了互不干扰问题，但三军联合作战时互通，互联，互操作问题难以解决，于是1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了

SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。进而实现联合战术无线电系统(简称JTRS)，它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。

软件无线电以开放性，标准化，模块化，通用性，可扩展的硬件为平台，通过加载各种应用软件来实现不同用户，不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能，选用不同软件可实现不同功能，软件可以升级更新，硬件也可像计算机升级换代，可称为超级计算机。它是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的新的无线电通信体系结构，是数字无线电的高级形式。

理想软件无线电的结构框图：

嘉兆科技

CORAD

一、软件无线电的理论基础

? 采样理论：由于软件无线电所覆盖的频率范围一般都要求比较宽，例如从0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有这么宽的频段才能具有广泛的适应性。对于如此宽的频带采用Nyquist低通采样所需的采样速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不实际。所以无法使用Nyquist采样定理，而必须采用带通采样。一种接近理想化的软件无线电设计方案称为射频直接带通采样软件无线电体制，在天线与A/D间只存在跟踪滤波器和放大器，与软件无线电所要求的A/D尽可能靠近天线的设计宗旨完全一致。

? 多速率信号处理：带通采样定理大大降低了所需的射频采样速率，但从软件无线电的要求来看，带通采样带宽应越宽越好，对信号有更宽的适应性，这样就应当使采样速率尽可能地宽。然而又会导致后续的信号处理速度跟不上，因此要对A/D后的`数据流进行降速处理。抽取和内插是最基本最重要的基本理论，对于软件无线电的研究及数字下/上变频器的实现有重大作用。

整数倍抽取是把原始采样速序列x(n)每隔(D-1)个数据抽取一个，形成一个新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，这样经过抽取的数据流速率只有后者的D分之一，显然大大降低了对后处理速度的要求，也提高了频域分辨率。这是软件无线电接收机的理论基础。

整数倍内插是在两个原始抽样点之间插入(I-1)个零值，也形成一个新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),经过内插大大提高了时域分辨率，也可以用来提高输出信号的频率。显然内插器起到了上变频作用。它是软件无线电发射机的理论基础。

整数倍抽取和内插都只是频率变换的一种特殊情况，实际中往往用到分数倍变换，它可通过先进行I倍内插，再进行D倍抽取来实现。(注意必须内插在前，以免引起信号失真)。

? 高效数字滤波：实现取样速率变换的主要问题是如何实现抽取前或内插后的数字滤波。FIR滤波器相对与IIR滤波器有许多独特优越性，线性相位，稳定性等。可采用窗函数法来设计，简单，直观，但滤波性能不是最佳。也可采用最佳滤波器的设计。半带滤波器适合于实现D=2的M幂次方倍的抽取或内插，计算效率也高实时性高。而在实际的抽取系统中抽取因子D往往不是2的M幂次方，此时可以积分梳状滤波器和半带滤波器结合起来使用。 ? 数字正交变换理论：对一个实信号进行正交变换而用一个复解析信号来表示是因为从解析信号很容易获得三个特征参数：瞬时幅度，瞬时相位和瞬时频率，它们是信号分析，参数测量或识别解调的基础。窄带信号可用解析信号和基带信号表示，对于要满足高虚假抑制的要求，可采用数字正交混频的方法实现，即先对模拟信号x(t)通过A/D采样数字化形成数字序列x(n),然后与两个正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通过数字低通滤波器来实现。在采样速率很高时，对后续的数字低通滤波实现较困难。还可以采用基于多相滤波的数字正交变换，需用到抽取和内插理论。

二、软件无线电中的关键技术

● 宽频段智能天线技术

软件无线电要求接收机从天线接收的应该是宽频带信号，同时，由于射频信号的高频率，使得信号干扰成为严重问题，为获取宽带信号和减少干扰，使用宽带智能天线成为最好的选择。由于频谱资源的缺乏，提出了从空域来提高频谱利用率的想法，对位于不同空域的用户分配相同的时间，频率和伪码，通过电磁信号的空间隔离来消除用户之间的干扰。智能天线就是在这种想法下提出的一种新型天线系统通过对多个天线阵元输出的信号进行幅相加权获得所需的天线波束指向来实现空间分离。基于软件无线电的智能天线包括单信道智能天线，多信道智能天线和信道化智能天线。它们的核心和理论基础是波束形成法。

● A/D技术

软件无线电体系结构的一个重要特点是将A/D和D/A尽量靠近射频前端，为减少模拟环节，在较高的中频乃至射频信号进行数字化，要求A/D具有适中的采样速率和很高的工作带宽。A/D的工作过程大致可以分为采样，保持，量化，编码，输出等几个环节。在模数转换中，衡量A/D转换性能的指标有：A/D转换位数，位数越高，灵敏度越高;信噪比(SNR)，提高采样频率或降低模拟信号带宽都可以提高A/D信噪比;无杂散动态(SFDR)，反映的是在A/D输入端存在大信号时，能检测出小信号的能力;有效转换位数(ENOB)，信号越大，信号频率越低，所得到的转换位数越多;孔径误差，是由于模拟信号转换成数字信号需要一定的时间来完成采样，量化，编码等工作而引起的，可在其前加一个采样保持放大器，从而减少孔径误差。在软件无线电的设计中，A/D器件的选择应保证软件无线电功能和性能的实现，应遵循以下选取原则：

1、采样速率选择：若A/D之前的带通滤波器的矩形系数为r,为防止带外信号影响有用信号，应取采样速率fs≥2B’=2rB,允许过渡带混叠时，fs≥(rwww.unjs.cOm/news/55B30022313FB7DF.html+1)B

2、采用分辨率好的A/D器件。分辨率主要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范围，转换位数越高，信号输入范围越小，A/D的转换性能越好。

3、一般来说A/D转换位数越高越好。因为其转换位数越高，其动态范围越高。

4、根据环境条件选择A/D转换芯片的环境参数，其功耗尽可能的低。

5、根据接口特征考虑选择合适的A/D转换器输出状态。

● 数字下/上变频器

数字下/上变频器主要是基于前面所述的抽取和内插理论。

数字下变频(DDC)和模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本地震荡信号的乘法运算。与模拟下变频相比，数字下变频的运算速度受DSP处理速度的限制，同时其运算速度决定了其输入信号数据流可达到的最高速率，相应也限定了ADC的最高采样率。数字下变频器的组成包括数字混频器，数字控制振荡器(NCO)和低通滤波器。 NCO产生的本振信号输入到数字混频器与输入的信号进行混频。数字混频器 就是一个乘法器，信号经混频后，输出到低通滤波器以滤除倍频分量和带外信号，然后进行抽取处理。由于下变频器工作原理较简单，可以很方便地利

用FPGA或ASIC技术来设计实现。典型的数字下变频有功能强大的单信道DDC产品HSP50214B及四通道的HSP50216。

数字上变频(DUC)的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。典型的代表是只能进行单路数据调制的HSP50215和可进行四路数据调制的GC4114

● 数字信号处理

数字信号处理器(DSP)是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。软件无线电的灵活性，开放性，兼容性等特点是通过以数字信号处理器为中心的通用硬件平台及DSP软件来实现的，从前端接收来的信号或将从功放发射出去的信号都要经过数字信号处理器的处理：或进行频谱分析，信号解调，信号类型识别，或进行信号的数字上下变频，或进行各种式样的数字调制，数字滤波，比特流的编码，译码，同步信号的获取等。软件无线电中的数字信号处理器除了能适应运算的高速度，高精度，大动态范围，大运算量外，还应具有高效率的结构和指令集，较大的内存容量，较低的功耗等特点。DSP的重要特点是其处理速度远远大于一般的微处理器，功能是快速实现各种运算，尤其在卷积，相关，滤波，FFT等应用要用到的乘法累加运算中更能发挥其作用。DSP的编程既可以用汇编语言又可以用C语言，极大地方便了其开发人员。目前的DSP在功能和性能上都还不能满足软件无线电的要求，可以采用多率信号处理技术对采样信号进行预处理后(即所谓的数字下变频器)然后再用DSP来完成各种功能，也可以用多个DSP芯片并行处理的方法来提高DSP的数据处理能力。

三、软件无线电的应用

● 个人移动通信

软件无线电把硬件作为通信平台，使其尽可能脱离通信体制，信号波形以及通信功能，尽可能多地用软件来实现，可扩展性强，成为第三代移动通信的基石。把软件无线电技术应用到基站设计即软件无线电基站，它是一种多频段，多模式，多功能可扩展的“智能”基站，它根据不同时间，不同用户，选择最佳的工作频段，工作模式和与用户相

适配的功能与用户进行信息交换，以极大地提高通信质量和服务质量。除此之外，它还可用于多频多模手机，这一技术具有极大地挑战性。

● 军事通信

软件无线电最初是为了解决海湾战争中多国部队各军种进行联合作战时遇到的互通互操作问题而提出的新概念。1992年提出了软件无线电的最初设想，并于1995年美国国防高级研究计划局提出了SPEAKEASY计划，称之为易通话计划，其最终目的是开发一种能适应联合作战要求的三军统一的多频段，多模式电台，即MBMMR电台。进而实现联合战术无线电系统(简称JTRS)，它是在MBMMR的基础上提出的一种战术通信系统。

● 电子战

电子战的主要特点是频段宽，待处理的信号种类多，而目前的电子战系统往往是在已知或事先假设的几种信号样式下工作，一旦目标信号特征或通信方式发生变化，往往误失战机，所以研究一种工作频段宽，波形适应能力强，可扩展性好，既能适应通信信号，也能适应导航和敌我识别信号的综合电子战系统是现代信息战争的必然要求，软件无线电恰好是解决这一问题的最佳技术途径。软件化电子侦察接收机是基于软件无线电原理而实现的用于对目标信号进行分析识别，特征提取和参数测量，对通信信号还能解调信息的电子战侦察分析接收机，不仅能对各种通信信号侦察分析，也能对雷达信号，导航信号或是敌我识别信号进行侦察分析，是一种多频段，多模式，多功能的电子战接收机。

● 雷达和信息加电

目前设计研究的雷达往往功能单一，体制单一，无法适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要。如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，那么就能比较圆满地解决目前雷达设计所存在的问题。

进入20世纪90年代，以高清晰度电视(HDTV)为标志的第三代电视以其接近理想的视听效果和多功能，成为新一代数字电视的发展方向。但目前在信道编码(调制方式)上还没有统一的国际标准，而且随不同的传输媒介而不同。基于软件无线电的HDTV解决方案可以较好地解决HDTV面临的这些问题。

四、结束语

9.光电成像原理及技术 篇九

第一节大体与组织和细胞病理学技术(一)大体观察

主要运用肉眼或辅以放大镜、量尺和磅秤等工具．对大体标本的病变性状(形状、大小、重量、色泽、质地、界限、表面及切面形态、与周围组织和器官的关系等)进行细致地剖检、观察、测量、取材和记录，必要时可摄影留作资料。大体观察不仅是病理医师的基本功和正确病理诊断的第一步。也是医学生学习病理学的主要方法之一。(二)组织病理学观察

将肉眼确定为病变的组织取材后，以福尔马林(fOmlahn，甲醛)溶液固定和石蜡包埋制成切片，经不同的方法染色后用光学显微镜观察。通过分析、综合病变特点，作出疾病的病理诊断。组织切片最常用的染色方法是苏木素一伊红(}~ematoxylin antl eosin，HE)染色。迄今，这种传统的方法仍然是诊断和研究疾病最基本和最常用的方法。若仍不能做出诊断或需要进一步研究时，则可辅以一些特殊染色、免疫组化和其他观察技术。(三)细胞病理学观察

通过采集病变处的细胞，涂片染色后进行观察、诊断。细胞的来源可以是运用各种采集器在口腔、食管、鼻咽部、女性生殖道等病变部位直接采集的脱落细胞，也可以是自然分泌物(如痰、乳腺溢液、前列腺液)、体液(胸腹腔积液、心包积液和脑积液)及排泄物(如尿)中的细胞，以及通过内镜采集的细胞或用细针直接穿刺病变部位(如乳腺、甲状腺、前列腺、淋巴结、胰腺、肝、肾等)，即细针穿刺(fine neecUe aspiI-ation，FNlA)所吸取的细胞。细胞学检查除了用于病人外，还用于肿瘤的普查。该方法设备简单，操作简便，病人痛苦少易于接受，但最后确定是否为恶性病变尚需进一步经活检证实。此外，细胞学检查还可用于对激素水平的测定(如阴道脱落细胞涂片)及为细胞培养和DNA提取’等提供标本。

第二节 组织化学与免疫组织化学技术(一)组织化学(histochemistry)一般称为特殊染色，通过应用某些能与组织或细胞的化学成分进行特异性结合的显色试剂．定位地显示病变组织、细胞的特殊化学成分(如蛋白质、酶类、核酸、糖类、脂类等)，同时又能保存组织原有的形态改变，达到形态与代谢的结合。如用过碘酸schiff反应(PAS)显示细胞内糖原的变化；用苏丹Ⅲ染色显示细胞内的脂肪滴等。在肿瘤的诊断和鉴别诊断中也可用特殊染色方法。如用PAS染色可区别骨Ewing肉瘤和恶性淋巴瘤，前者含有糖原而呈阳性，后者不含糖原呈阴性；用磷钨酸苏木素(PTAH)染色可显示横纹肌肉瘤中瘤细胞胞质内的横纹。

(二)免疫组织化学与免疫细胞化学(irrlmLJnohistochem‘lst吖and imrTlUrlOCytOCrlelTlistry)免疫组织化学(免疫组化)和免疫细胞化学是利用抗原抗体的特异性结合反应来检测和定位组织或细胞中的某种化学物质的一种技术，由免疫学和传统的组织化学相结合而形成。免疫组化染色技术不仅有较高的敏感性和特异性，同时具有将形态学改变与功能、代谢变化结合起来，直接在组织切片、细胞涂片或培养细胞爬片上原位确定某些蛋白质或多肽类物质的存在的特点，并可精确到亚细胞结构水平，结合电子计算机图像分析技术或激光扫描共聚焦显微技术等，可对被检测物质进行定量分析。

1．免疫组化染色方法和检测系统 免疫组化染色方法有很多，按标记物的性质可分为荧光法(荧光素标记)、酶法(辣根过氧化物酶，碱性磷酸酶等)、免疫金银及铁标记技术等：按染色步骤可分为直接法(又称一步法)和间接法(二步、三步或多步法)；按结合方式可分为抗原一抗体结合，如PAP法和标记的葡聚糖聚合物(1abeled dextran polymer’，LDP)法．以及亲和连接，如ABC法、标记的链亲和素一生物素(1abeled streptavidin—biotin．LSAB)法等，其中LSAB法和LDP法是最常使用的方法。两步LDP法即Envision法．具有省时、操作简便、受内源性生物素干扰少等优点，但成本高于LSAB法。免疫组化染色常用的检测显示系统见表17—1。最常用的检测显示系统是辣根过氧化物酶(HRP)一二甲基联苯胺(DAB)系统，阳性信号呈棕色细颗粒状。2．免疫组化染色的反应结果和质量控制 免疫组化中常见的抗原表达模式有以下几种(图17—1)：①细胞膜线性阳性反应，大多数淋巴细胞分化抗原定位于细胞膜，如c1920、CD3等的标记呈细胞膜线性阳性反应；②细胞质的阳性反应，根据抗原的亚细胞结构定位不同，又有数种表现形式，如细胞角蛋白(cytoker。atin，cK)以及一些中间丝蛋白(vimentirl)。主要分布在近细胞膜处的胞质内；cDl5和cD30等抗体的染色呈胞质内局限性点状阳性反应；bcl一2蛋白等定位于线粒体的抗原常表现为细胞质内弥漫性阳性反应；③细胞核阳性反应，如I(i一67、雌激素受体(ER．)蛋白、孕激素受体(PR)蛋白等。有些抗体可同时出现细胞质和细胞膜的阳性表达，如EMA可呈细胞膜阳性和胞质内弥漫性阳性反应，cDl5和(]D30抗体可同时呈细胞膜阳性和胞质内点状阳性反应等。

影响免疫组化染色质量的因素很多，在实验过程中应注意组织的取材和固定，选择高质量的商品化抗体，恰当地选择和使用封闭和抗原修复手段，规范技术操作，合理设立对照等。假阴性反应见于组织内待测抗原已被分解破坏，或抗原含量过低，或固定剂使用不当，抗体质量不佳或稀释度不当等；反之，由于抗体与非待检抗原发生交叉反应，或组织对抗体的非特异性吸附以及内源性过氧化酶(endogenous per’oxidase)未被阻断等则可出现假阳性结果。这些都可能造成判断的失误。

3．免疫组化染色技术的应用 随着大量商品化的单克隆和多克隆抗体的出现。配套试剂盒的使用及方法学的不断完善，使免疫组化染色已经成为医学基础研究和临床病理诊断中应用最为广泛的病理技术手段之一。免疫组化技术可用于各种蛋白质或肽类物质表达水平的检测、细胞属性的判定、淋巴细胞的免疫表型分析、细胞增殖和凋亡的研究、激素受体和耐药基因蛋白表达的检测，以及细胞周期和信号转导的研究等。目前。免疫组化染色已经成为病理诊断中必不可少的检测手段。下述的非放射性原位杂交、原位PcR和原位末端标记DNA片段等技术也是在免疫组化染色技术的基础上发展起来的。

第三节 电子显微镜技术

1931年德国的Knoll和R。tska研制成功了世界上第一台电子显微镜，通过由电子束和电子透镜组合成的电子光学系统的多极放大后，可以将微小物体放大成像，极大地提高了分辨率。普通光学显微镜的分辨极限是0．2斗m，而目前最好的电镜的分辨率可达0．14nm，有效放大倍数为100万倍。透射电子显微镜(translm‘SSl‘On electron micr，oscope，TEM)是最早、最广泛应用于医学领域的一种电镜，之后又相继诞生了扫描电镜、超高压电镜等。电子显微镜和光学显微镜的基本原理相同，不同的是光镜的照明源是可见光，而电镜是以电子束为光源。电镜的透镜不是玻璃而是轴对称的电场或磁场。电镜技术使病理学对疾病的认识从组织、细胞水平深入到细胞内超微结构水平，观察到了细胞膜、细胞器和细胞核的细微结构及其病理变化，大大开阔了人们的视野，并由此产生了亚细胞结构病理学(刚hcelhalat’stnlcture pathology)，又称超微结构病理学(ultrastr．uCtural pathology)。

由于电镜的分辨率高，因此电镜样本的处理和超薄切片的制作技术比光镜制片更为精细和复杂．但基本过程相似，仍包括组织取材、固定、脱水、浸透、包埋、切片和染色等。电镜样本的制备与常规病理制片不同之处有：①要求组织新鲜，选择有代表性的区域进行小块多点取材；②双重组织固定，常用的化学固定剂有锇酸、醛类固定剂和高锰酸钾等；③环氧树脂包埋；④半薄切片经染色进行组织定位后再切制超薄切片；⑤重金属盐如醋酸铀或枸橼酸铅等染色。

电镜技术在生命科学领域可用于胚胎及组织发生学方面的观察和研究，如通过电镜可以了解肿瘤间质新生血管芽的发生和形态特点(图17—

2、图17—3)；在临床上可用于多种疾病亚细胞结构病变的观察和诊断，特别是肾小球疾病及肌病的诊断；疑难肿瘤的组织来源和细胞属性判定。如一些去分化、低分化或多向分化肿瘤的诊断和鉴别诊断。随着电镜技术的，不断发展以及与其他方法的综合使用，还出现了免疫电镜技术、电镜细胞化学技术、电镜图像分析技术及全息显微技术等。但电镜技术也有其局限性，如设备昂贵、样本制作较复杂；样本取材少。观察范围有限，有时还可能会遗漏信息：当用于辅助肿瘤的病理诊断时，只能判定肿瘤的组织或细胞的来源，不能确定肿瘤的良恶性。

第四节 显微切割技术" 显傲切割术(nLICI·odissection)是20世纪90年代初发展起来的一门新技术，它能够从组织切片或细胞涂片上的任一区域内切割下几百个、几十个同类细胞，甚至单个细胞(图17—4)。再进行如PcR、PcR—SS(：P及比较基因组杂交等有关的分子水平的研究。

用于显微切割的组织切片可以是冷冻切片、石蜡包埋的组织切片或细胞涂片。切片的厚度可为4～10斗m，冷冻切片需经甲醛或乙醇固定。另外，用于显微切割的组织切片还必须染色，以便于进行目标细胞群或单一细胞的定位。染色可以用普通方法，如甲基绿、核固红、瑞氏染液或苏木素等，也可用免疫组化染色，如要切割霍奇金淋巴瘤组织切片上的R—S细胞时，可用cDl5或cD30单克隆抗体染色进行靶细胞示踪。显微切割的方法有手工操作法和激光捕获显微切割法。激光捕获显微切割(1asel‘capture microdissection，LcM)技术的基本原理是：将组织切片放在倒置显微镜的载物台上，并在切片表面覆盖一层乙烯乙酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate；EVA)薄膜。激光束从切片的上方垂直照射下来。使其光路与显微镜聚光器的光路共轴，光斑恰好落在显微镜视野中心，即要切割的区域。该区的．EVA膜揭起来，与之相连的细胞也随之被完好地从切片上切割下来。将带有细胞的。EVA膜放入试管内经蛋白酶消化使细胞与膜分开，同时也将细胞裂解，获得待提取物质．如DNA、RNA和蛋白质等。

显微切割术的特点是可从构成复杂的组织中获得某一特定的同类细胞群或单个细胞。尤其适用于肿瘤的分子生物学研究，如肿瘤的克隆性分析、肿瘤发生和演进过程中各阶段细胞基因改变的比较研究以及肿瘤细胞内某些酶活性的定量检测等。该技术的不足之处是手工操作法的技术难度大；用LCM虽然操作简便，耗时少，取材准确，但需特殊的设备，激光器造价高。

第五节 激光扫描共聚焦显微技术

激光扫描共聚焦显微镜(1aser scanning confocal microscope，LSCM)是近代生物医学图像分析仪器研究最重要的成就之一，它是将光学显微镜、激光扫描技术和计算机图像处理技术相结合而形成的高技术设备。其主要部件有激光器、扫描头、显微镜和计算机等。共聚焦成像利用照明点与探测点共轭这一特性，可有效抑制同一聚焦平面上非测量点的杂散荧光及来自样品的非焦平面荧光，从而获得普通光学显微镜无法达到的分辨率。同时具有深度识别能力(最大深度一般为200～4()0仙m)及纵向分辨率，因而能看到较厚生物样本中的细节。(一)LSCM的主要功能

LscM的主要功能有：①细胞、组织光学切片：利用计算机及图像处理系统对组织、细胞及亚细胞结构进行断层扫描，该功能也被形象地称为“细胞CT”或“显微CT”(图17—5)；②三维立体空间结构重建；③对活细胞的长时间观察；④细胞内酸碱度及细胞离子的定量测定；⑤荧光漂白恢复技术(1]uol·eSCeDCe recovery after-photcIbleachinR．FRAP)：它利用高强度脉冲式激光照射细胞的某一区域，造成该区域荧光分子的漂白．而该区域周围的非漂白荧光分子将以一定速率向受照射区扩散，Ls(2M可直接对其扩散速率进行监测。FRAP可用于细胞间通讯、细胞骨架的构成、生物膜结构和大分子组装等的研究；⑥细胞间通讯的研究；⑦细胞膜流动件测定和光活化技术等。

(二)LSCM对样本的要求及其局限性

用于LscM的样本最好是培养细胞样本，如培养细胞涂片或细胞爬片，也可以是冷冻组织切片．石蜡包埋组织切片不适用于该技术。LscM主要使用直接或间接免疫荧光染色和荧光原位杂交技术。荧光标记的探针或抗体的质量将直接影响实验的结果。

第六节核酸原位杂交技术

原位杂交(in situ hVbridizacion，IsH)是核酸分子杂交的一部分，是将组织化学与分子生物学技术相结合以检测和定位核酸的技术。它是用标记了的已知序列的核苷酸片段作为探针(probe)，通过杂交直接在组织切片、细胞涂片或培养细胞爬片上检测和定位某一特定靶DNA或RNA的存在。IsH的生物化学基础是DNA变性、复性和碱基互补配对结合。根据所选用的探针和待检测靶序列的不同，有I)NA—DNA杂交、DNA—RNA杂交和RNA—RNA杂交。

(一)探针的选择和标记

用于原位杂交的探针有双链cDNA探针、单链cDNA探针、单链cRNA探针以及合成的寡核苷酸探针等。一般而言，探针的长度以50～30(3bp为宜，用于染色体原位杂交的探针可为1．2～1．5kb。探针标记物有放射性和非放射性之分，前者如放射性核素，H、。ss、印等，这类探针的敏感性高，但有半衰期及放射性污染，成本高且耗时等缺陷，故其使用受到限制；非放射性探针标记物有荧光素、地高辛和生物素等．尽管其敏感性不如放射性标记探针，但因其性能稳定、操作简便、成本低和耗时短等长处，正越来越广泛地得到应用。双链cDNA探针的标记可用缺口平移法或随机引物法；单链cRNA探针可通过转录进行标记；合成的寡核苷酸探针可用5’末端标记法，即加尾标记法。(二)原位杂交的主要程序

原位杂交的实验材料可以是常规石蜡包埋组织切片、冷冻组织切片、细胞涂片和培养细胞爬片等。主要程序包括杂交前准备、预处理、杂交、杂交后处理一清洗和杂交体的检测等。操作中应注意的问题有：①对DNA—RNA杂交和RNA—RNA杂交．需进行灭活RNA酶处理，包括用0．5％o的二乙基焦碳酸盐(diethylpyrocal-bonate，【)EPC)水配制有关试剂和160～180℃烘烤实验用器皿等；当使用双链cDNA探针和(或)待测靶序列是DNA时，需进行变性处理使DNA解链；②杂交温度应低于杂交体的解链温度(Tm)25~(2左右；③对照实验：原位杂交远较免疫组化染色复杂，影响因素颇多，故对照实验必不可少，有组织对照、探针对照、杂交反应体系对照和检测系统的对照等，可根据具体情况选用。

(三)荧光原位杂交(flLlorescence in situ hVbr_dization。FISH)可以用直接法或间接法进行FIsH。直接法FIsH是以荧光素直接标记已知DNA探针，所检测的靶序列为DNA。间接法：FISt{是以非荧光标记物标记已知DNA探针．再桥连一个荧光标记的抗体。用于FIsH的探针有不同的类型，如重复序列探针、位点特异性探针和全染色体探针等，目前已有大量商品化的荧光标记探针，使F：[St{技术得到越来越广泛的应用。FIsH的实验材料可以是问期细胞、分裂中期的染色体，也可以是冷冻或石蜡切片组织(图17—6)。

(四)原位杂交技术的应用

原位杂交可应用于：①细胞特异性mR．NA转录的定位．如基因图谱、基因表达和基因组进化的研究；②受感染组织中病毒DNA／RNA的检测和定位，如EB病毒mRNA、人类乳头状瘤病毒DNA(图17—7)和巨细胞病毒DNA的检测；③癌基因、抑癌基因及各种功能基因在转录水平的表达及其变化的检测；④基因在染色体上的定位；⑤染色体变化的检测，如染色体数量异常和染色体易位等：⑥分裂间期细胞遗传学的研究，如遗传病的产前诊断和某些遗传病基因携带者的确定，某些肿瘤的诊断等。原位杂交与免疫组化染色技术相比较．IHc使用的是抗体．其检测对象是抗原，机制是抗原一抗体的特异性结合，是蛋白质表达水平的检测；IsH使用的是探针．遵循碱基互补配对的原则，与待检测的靶序列结合，是DNA或转录(mRNA)水平的检测。两者均有较高的敏感性和特异性，但IsH更容易受到外界因素的影响。

第七节原位多聚酶链式反应技术

原位多聚酶链式反应技术是多聚酶链式反应(polymerase chain reactl’orl，PcR)技术的一部分。PCR．是在体外经酶促反应将某一特定DNA序列进行高效、快速扩增，它可将单一拷贝或低拷贝的待测核酸以指数的形式扩增而达到常规方法可检测的水平，但不能进行组织学定位。原位PcR(in situ PcR)技术是将PcR的高效扩增与原位杂交的细胞及组织学定位相结合，在冷冻切片或石蜡包埋组织切片、细胞涂片或培养细胞爬片上检测和定位核酸的技术。

(一)原位PCR技术方法

原位PcR技术有直接法原位PcR、间接法原位PcR、原位反转录PcR(in situ re—vel_se transcl’iption—PcR，in Sl‘ttl RT—PcR)和原位再生式序列复制反应(self—sLtstained se—quence replication reactl‘orl，3SP．．)等方法，其中应用相对较为广泛的是间接法原位PcR。其主要程序有：组织固定、预处理(如蛋白酶K和RNA酶消化)、原位扩增及扩增产物的原位杂交和检测等。由于使用原位杂交技术对扩增产物进行检测，使该方法的特异性较直接法原位PCIR．．高。

(二)原位PCR技术的应用及存在的问题

原位PcR技术可对低拷贝的内源性基因进行检测和定位，在完整的细胞样本上能检测出单一拷贝的DNA序列，可用于基因突变、基因重排等的研究和观察。还可用于外源性基因的检测和定位，如对各种感染性疾病病原的基因检测，如EB病毒、人乳头状瘤病毒、肝炎病毒、巨细胞病毒和人免疫缺陷病毒基因组及结核杆菌、麻风杆菌基因的检测等，在临床上还可用于对接受了基因治疗的患者体内导入基因的检测等。

从理论上说，原位PcR是一个较完美的技术，兼具较高的敏感性和基因的细胞内定位功能，但目前该技术方法还欠完善，主要表现在以下几个方面：①特异性不高，尤其是假阳性问题。可能产生假阳性的原因有引物扩增序列的弥散、引物与模板的错配等。为提高其检测结果的特异性，必须设计严格的实验对照，包括已知阳性和阴性对照、引物对照、PcR反应体系对照以及用DNA酶和RNA酶处理后样本的阴性对照等；②技术操作复杂，影响因素过多；③需要特殊的设备，即原位PcR仪，价格昂贵，加之技术方法上存在的问题等，短时间内还难以在国内大面积推广使用，但有一定的潜在应用前景。

第八节流式细胞技术

流式细胞技术(now cytomerc、r，FCM)是利用流式细胞仪进行的一种单细胞定量分析和分选的技术。流式细胞技术是免疫细胞化学技术、激光和电子计算机科学等综合利用的技术。(一)流式细胞仪的基本结构和工作原理 ．

流式细胞仪由三部分构成：①传感系统，包括样本递送系统、样品池、监测系统、电子传感器和激光源等；②计算机系统；③电路、光路和水路系统，有电源、光学传导和滤片、鞘液循环和回收部分等。流式细胞仪的工作原理是使悬浮在液体中分散的经荧光标记的细胞或微粒在稳定的液流推动装置作用下，依次通过样品池，流速可达9米／秒，同时由荧光探测器捕获荧光信号并转换成分别代表前向散射角、侧向散射角和不同荧光强度的电脉冲信号，经计算机处理形成相应的点图、直方图和假i维结构图像进行分析(图17—8)。(二)样本制备的基本原则

用于FcM的样本是单细胞悬液。可以是血液、悬浮细胞培养液和各种体液，如胸水、腹水、脑脊液，新鲜实体瘤或石蜡包埋组织的单细胞悬液等。样本制备基本原则是：①保持各种体液和悬浮细胞样本新鲜，尽快完成样本的制备和检测；②针对不同的细胞样本进行适当的洗涤、酶消化或EDTA处理，以清除杂质，使黏附的细胞彼此分离而成单细胞状态；③对新鲜实体瘤组织可选用或联合使用酶消化法、机械打散法和化学分散法来获得有足够细胞数量的单细胞悬液。常用的酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶和胶原酶等；④对石蜡包埋组织应先切成若干40～50斗m厚的石蜡切片，经二甲苯脱蜡至水化，再选用前述方法制备单细胞悬液：⑤单细胞悬液的细胞数应不少于10‘。(三)流式细胞术的应用

流式细胞仪具有精密、准确、快速和高分辨力等特性，具体表现在以下几个方面：①其测定细胞内DNA的变异系数最小，一般在2％以下；②能准确地进行DNA倍体分析：③借助于荧光染料进行细胞内蛋白质和核酸的定量研究；④快速进行细胞分选和细胞收集。流式细胞术在医学基础研究和临床检测中有多方面的应用，如外周血细胞的免疫表型测定和定量分析；某一特定细胞群的筛选和细胞收集；细胞多药耐药基因的检测；癌基因和抑癌基因的检测：细胞凋亡的定量研究；细胞毒功能检测以及细胞内某些蛋白质和核酸的定量分析等。应注意的是单细胞悬液样本的质量直接影响FcM检测结果，一般而言，新鲜细胞或组织样本优于已固定的组织样本。

第九节 图像分析技术

病理图像分析包括定性和定量两个方面，以往受技术所限，常规病理形态学观察基本上是定性的。缺乏精确的更为客观的定量标准和方法。图像分析技术(inaage analysis，IA)的出现弥补了这个缺点。随着电子计算机技术的发展，形态定量技术已从二维空问向三维空间发展。在肿瘤病理学方面，图像分析技术主要用于核形态参数的测定(如核直径、周长、面积、体积等)、肿瘤的组织病理学分级和预后判断等，也可用于DNA倍体的测定和显色反应(如免疫组化)的定量等。

第十节 比较基因组杂交技术

比较基因组杂交(comparative genomic：hybridization，cGH)是近年来发展起来的一种分子细胞学技术，它通过单一的一次杂交可对某一肿瘤全基因组的染色体拷贝数量的变化进行检查。其基本原理是：用不同的荧光染料分别标记肿瘤组织DNA和正常细胞或组织的DNA，制成探针，并与正常人的分裂中期染色体进行共杂交，通过检测染色体上显示的肿瘤组织与正常对照组织不同的荧光强度，来反映整个肿瘤基因组DNA表达状况的变化，再借助于图像分析技术可对染色体拷贝数量的变化进行定量研究(图17—9)。

CGf{技术的优点是：①实验所需样本DNA量较少，做单一的一次杂交即可检查肿瘤全基因组的染色体拷贝数量的变化；②该方法不仅适用于外周血、培养细胞和新鲜组织样本的研究，还可用于甲醛固定石蜡包埋组织样本的研究，也可用于因DNA量过少而经PcR扩增的样本研究。尽管cGH是研究DNA拷贝数量变化的有力工具，但也有其局限性：一是用CGt{技术所能检测到的最小的DNA扩增或缺失是3～5Mb，故对于低水平的19NA扩增和小片段的缺失就会漏检；二是在染色体的拷贝数量无变化时，cGH技术不能检测出平行染色体的易位。

第十一节 生物芯片技术

生物芯片技术(1~iochip techniclue)是近年来发展起来的生物医学高新技术，包括基因芯片、蛋白质芯片和组织芯片等。(一)基因芯片(geRe chip)基因芯片又称I)NA芯片(DNA chip)，是指固着在固相载体上的高密度的DNA微点阵。即将大量靶基因或寡核苷酸片段有序、高密度地(点与点间距一般小于5 0【)¨m)排列在如硅片、玻璃片、聚丙烯或尼龙膜等载体上，形成基因芯片。一套完整的基因芯片分析系统包括芯片阵列仪、激光扫描仪、计算机及生物信息软件处理系统等。1．基因芯片的分类和工作原理按基因芯片的功能用途可将其分为三类：表达谱基因芯片、诊断芯片和检测芯片，表达谱基因芯片主要用于基因功能的研究；后两者可用于遗传病、代谢性疾病和某些肿瘤的诊断、病原微生物的检测等。基因芯片检测的基本原理(图17—10)是：用不同的荧光染料通过逆转录反应将不同组织的mR_NA分别标记制成探针，将探针混合后与芯片上的DNA片段进行杂交、洗涤，然后用特有的荧光波长扫描芯片，得到这些基因在不同组织或细胞中的表达谱图片，再通过计算机分析出这些基因在不同组织的表达差异。

2．基因芯片的应用 基因芯片技术可用于生命科学研究的各个领域，在基础研究方面有基因表达谱分析、肿瘤基因分型、基因突变的检测、新基因的寻找、遗传作图和重测序等；在临床上可用于抗生素和抗肿瘤药物的筛选和疾病的诊断等方面。利用基因芯片技术，人们可以大规模、高通量地对成千上万个基因同时进行研究，从而解决了传统的核酸印迹杂交技术操作复杂、自动化程度低、检测效率低等问题。通过设计不同的探针阵列和使用特定的分析方法使该技术具有广阔的应用前景。应用基因芯片技术要求实验材料是从新鲜组织或培养细胞中提取的mRNA，对外周血或培养细胞样本的研究相对容易．对实体瘤的研究受到一定限制。

(二)蛋白质芯片

蛋白质芯片(protein chip)又称蛋白质微阵列(protein microarray)，它是继基因芯片之后发展起来的对基因功能产物表达水平进行检测的技术。蛋白质芯片也是在一个载体上高密度地点布不同种类的蛋白质，再用荧光标记的已知抗体或配体与待测样本中的抗体或配体一起与芯片上的蛋白质竞争结合，利用荧光扫描仪测定芯片上各点阵的荧光强度，再经计算机分析计算出待测样本结果。随着蛋白质芯片制作技术的不断完善。检测容量已达一万三千多个点，并实现了整个过程全自动化检测，具有高效率、低成本的特点，尤其适合于蛋白表达的大规模、多种类筛查，并能用于受体一配体、多种感染因素的筛查和肿瘤的诊断。

(三)组织芯片

组织芯片(tl。SSl】e chip)又称组织微阵列(t1‘SSLle micrOaIT』ay)是由Kononen等在1998年首次提出这一概念。组织芯片是将数十个至数百个小的组织片整齐地排列在某一载体上(通常是载玻片)而成的微缩组织切片。组织芯片的制作流程主要包括组织筛选和定位、阵列蜡块的制作和切片等步骤r冈17—

11、．

组织芯片的特点是体积小、信息含量大，并可根据不同的需求进行组合制成各种组织芯片，能高效、快速和低消耗地进行各种组织学的原位研究和观察，如形态学、免疫组织化学、原位杂交和原位PcR等，并有较好的内对照及实验条件的可比性。在科研工作中可单独应用或与基因芯片联合应用，用于基因及其蛋白表达产物的分析和基因功能的研究；用于基因探针的筛选和抗体等生物制剂的鉴定；组织芯片还可作为组织学和病理学实习教材、外科病理学微缩图谱等。

第十二节 生物信息学技术

生物信息学(t)ioirl~oImadcs)是一门研究生物系统中信息现象的新兴的交叉学科．涉及生物学、数学、物理学、计算机科学和信息科学等多个领域。随着生物科学和技术的不断发展和基因组研究的不断深入，生物分子数据迅速增长，数据量巨大，其中既有生物分子序列的信息，又有结构和功能的信息；既有生命本质信息(如基因)，又有生命表象信息(如基因表达信息)，并且数据之间存在着密切的联系。生物信息学以计算机、网络为工具，以数据库为载体，利用数学和信息科学的理论、方法和技术研究生物大分子，建立各种计算模型，对实验生物学中产生的大量生物学数据进行收集、存储、集成、查询、处理及分析，揭示蕴含在这些数据中的丰富内涵，发现生物分子信息的组织规律，从而掌握复杂的生命现象包括生命起源、生物进化以及细胞、器官和个体的发生、发育、病变、衰亡的规律和时空联系。20世纪90年代，在人类基因组计划的推动下。生物信息学得以迅猛发展。人类基因组计划产生的生物分子数据是生物信息学的源泉．而人类基因组计划所需要解决的问题则是生物信息学发展的动力。

生物信息学的研究范畴是以基因组DNA序列的信息分析作为源头，分析基因组结陶，寻找或发现新基因，分析基因调控信息，并在此基础上研究基因的功能，模拟和预测蛋白质的空间结构，分析蛋白质的性质以及蛋白质结构与功能之问的关系，为基于靶分子结构的药物分子设计和蛋白质分子改性设计提供依据。当前，生物信息学已在理论生物学领域占据了核心地位。’

生物信息学的主要任务是研究生物分子数据的获取、存储和查询，发展数据分析方法．主要包括三个方面：①生物信息的收集、存储、管理与提供：建立生物信息数据库是生物信息学的重要内容，提供数据查询、搜索、筛选和序列比对，并为信息分析和数据挖掘打下基础。目前，分子生物学的三大核心数据库——GenBank核酸序列数据库、SWISS—PROT蛋白质序列数据库和PDB生物大分子结构数据库，不仅已成为全世界分子生物学和医学研究人员获取生物分子序列、结构和其他信息的基本来源，而且是发表自己序列或结构测定结果的重要媒体；②生物学数据的处理和分析：如基因组序列分析、基因表达数据的分析与处理。通过数据分析，发现数据之间的关系，认识数据的本质，并在此基础上．了解基因与疾病的关系，了解疾病产生的机制，为疾病的诊断和治疗提供依据。帮助确定新药的作用靶点和作用方式，设计新的药物分子，为进一步的研究和应用打下基础；③生物学数据的有效利用：开发研制管理分析数据的新工具和实用软件，为生物信息学的具体应用服务。如与大规模基因表达谱分析相关的算法和软件研究，基因表达调控网络的研究．与基因组信息相关的核酸、蛋白质空间结构的预测和模拟，以及蛋白质功能预测的研奔等一牛物分子信．息处理流程见．图17—12。