【全新】 2012-2013体视学学科发展报告 中国科学技术协会主编 中国科学技术出版社 9787504665539
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作者中国科学技术协会主编
出版社中国科学技术出版社
ISBN9787504665539
出版时间2013-08
四部分类子部>艺术>书画
装帧平装
开本16开
定价42元
货号8204999
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导语摘要
中国科学技术协会主编的《体视学学科发展报告（2012-2013）》由中国体视学学会编著，介绍了体视学学科发展情况，并对本学科的进展做了全面而准确的总结。重点选择学科发展比较成熟、与当前国民经济和社会发展中重大热点问题紧密相关的部分分支学科，力求多方位展示学科发展的动态和趋势，分析学科发展的战略需求，系统收集了近5年来的研究成果，反映体视学学科的最新研究进展以及在国民经济和社会发展中的应用、成效和前景，预测学科的发展趋势。
目录
序
前言
综合报告
体视学学科发展研究
一、引言
二、体视学近年最新研究进展
三、体视学学科国内外对比研究
四、体视学学科的发展趋势与对策
参考文献
专题报告
生物医学体视学发展现状与趋势
材料体视学发展现状与趋势
图像分析研究现状与趋势
CT技术发展现状与趋势
体视学与图像分析系统发展现状与趋势
附录
ABSTRACTS IN ENGLISH Comprehensive Report
Abstract of the Synthesis Report
Reports on Spe Topics
The Development Status and Trends of Biomedical Stereology
The Development Status and Trends of Materials Stereology
The Research Status and Trends of Image Analysis
The Development Status and Trends of Computed Tomography（CT）
The Development Status and Trends of Stereological Measurement Instruments
索引
内容摘要
体视学学科发展研究
一、引言
体视学对应的英文词“stereology”问世于 20 世纪 60 年代初。1961 年 5 月 12 日，来
自多个国家多个不同学科的 11 位科学家聚集在德国黑森林（Black Forest），举行了一次国
际性非正式学术会议。他们发现并确认了他们在不同学科所从事的研究具有一个共同点，
即均深切关注“从组织结构的截面所获得的测量值推断其三维组织结构参数”即“截面的
立体诠释”这一共同命题，从而创造了“stereology”（中文译为“体视学”）一词，随之组
建了国际体视学学会［The International Society for Stereology（ISS）］
［1］。80 年代中国体视
学学会成立时，采用了“体视学”作为其学会与学科的名称。
根据构词学解释，体视学（Stereology，stereo- + -logy）是一门研究三维结构（或立体
结构、空间结构）的科学［2］。也就是说，体视学研究的主要对象是三维结构。体视学的
研究范畴，既包括基于其低维截面或投影推估三维结构的定量表征参量（体视学的传统定
义范畴），又包括三维结构的低维截面或投影图像自身的研究，也包括三维结构或其图像
的完整重建及三维直接观测分析。体视学的主要功能，是在不断发展体视学新原理、新方
法、新技术和新仪器的基础上，帮助其他学科将其涉及的形形色色的三维结构定量化、数
值化和图像重建，使其从原始的定性研究层次进入更高级的定量研究层次；或者，极大地
提高其定量分析的效率，使其过去难以实现的大规模三维结构高可靠性的定量研究成为可
能。在材料科学与工程和生物医学两大领域，均不乏体视学做出了不可替代贡献的杰出实
例。例如，在材料学科由定性走向定量的历史过程中体视学功不可没，被称为“20 世纪
中定量化革命为金属学与后继的材料科学带来深刻变化的绝好例子”
［3］。
经过几十年的发展，体视学已经成长为一个多学科交叉的独立学科，建立了自己明显
区别于其他学科的体视学原理和方法体系，形成了自己的学术建制，其原理和方法在生物
医学、材料科学与工程等诸多领域或行业获得了广泛应用，影响力不断扩大。
二、体视学近年最新研究进展
（一）近年来的体视学新观点与新理论
自 1961 年“stereology”一词问世以来，国内外从未对其定义进行专门的讨论。因为
体视学（stereology）是一个高度交叉的新学科，已广泛应用于生物医学、材料科学、图像
科学、冶金学、建筑学、工业、农业等众多领域，尤其是生物医学与材料科学领域，导致
国内外不同场合不同应用领域的体视学定义不同甚至严重歧义，包括若干国际上权威辞典
以及国内外各种标准（例如我国国家标准）对体视学的定义亦常常不一致。在我国，体视
学的定义的不一致性更是直接影响了人们对体视学学科的准确理解和了解，也在一定程度
上阻碍着中国体视学学会的学会工作与学术建制的建设。
针对中国科学技术协会 2012—2013 体视学学科发展报告项目的学科发展研讨活动中
最引人关注的体视学定义与体视学学科两大问题，中国体视学学会组织了跨材料体视学、
生物医学体视学、图像分析、CT（computed tomography，计算机断层成像技术或计算机层
析成像技术）和仿真等领域逾百名专家进行了国内外首次对体视学（stereology）学科与定
义的学术大讨论，广泛听取各方面的专家意见，并将主要研究结果于 2013 年 9 月在太原
召开的中国体视学学会第六次会员代表大会暨第十三届中国体视学与图像分析学术会议
上，以大会特邀报告的形式作了通报［4］。
1. 体视学基本定义的核心内容
本次学科讨论对如下问题获得了共识：自 20 世纪 60 年代起，体视学就形成了一个高
度交叉但已独立的学科，具有国内外公认的学科名称与显明的学科特点，形成了其自身的
理论与方法体系。体视学一词（英文为 stereology，stereo- + -logy）至今已形成多种定义，
但其基本定义的核心内容应保持为“研究立体或三维（stereo-）结构的科学”。在此基础
上，则应当允许不同学科分支或领域为满足需求而给出不违背上述基本定义的体视学扩展
定义；但不应当喧宾夺主，不应当偏离体视学的研究目的是对立体结构或三维几何结构定
量表征与准确表达这一核心含义。例如，国际体视学学会给出的比较通俗易懂的体视学定
义为：“体视学是基于其截面或投影确定材料空间结构（the spatial structure of materials）的
一门科学。体视学也包含平面图像本身的分析，以及材料的三维探查。”
2. 由投影数据重建三维 CT 图像属于体视学范畴
国际体视学学会虽然一直认可由低维的投影图像确定空间结构是体视学的重要组成部
分，但至今尚未将基于一维投影数据重建三维 CT 图像这一学科分支纳入体视学范畴。而
在我国，中国体视学学会 1997 年 4 月即已接纳 CT 理论与应用分会隶属于我学会，将基于
一维投影数据重建三维 CT 图像的理论与技术研究及时纳入了体视学学科领域和学会的工
作范围。在本次学科讨论中，绝大多数专家支持和确认了“从沿射线的投影数据重建三维
CT 图像属于体视学研究范畴”的学术观点，正式认可三维 CT 图像重建理论与技术是体视
学理论方法体系的有机组成部分。而 CT 理论与技术也有力地进一步拓展了体视学的理论
与方法体系。
3. 关于体视学定义中“维”的认识
本次学科讨论中一些专家也多次质询通常的体视学定义中 “空间结构”或“三维结
构”是否指的就是三维几何结构；尤其是当将体视学定义为由“低维”截面或投影确定
“高维”结构的科学时，“高维”的维数有无限制？从目前国内外能检索到的所有体视学文
献资料来看，体视学定义中的“三维结构”或“空间结构”、“立体结构”就是指几何结
构，这一点是没有疑问的。但由于维数又可泛指数学中独立参数的数目，并不仅限于几何
维数，从而在包括 Science 等国际上非常有影响的刊物上刊登的某些相关文献中亦采用了诸
如“四维空间中的显微组织（microstructures in 4D）”等表述［5］。经核对，所谓的“4D”，
实际上指的是随时间变化的三维几何结构（即在 3D 几何维数基础上增加了一个时间维而
成为 4D 时空空间）。此类显微组织并未改变其仍然属于三维空间几何结构这一基本实质。
作为独立参数的其他信息变量（例如材料科学中的质量、能量、温度、化学组成、晶
体学取向等等）还可能附加在三维几何结构中的每个体素（体积元素）上，如此具有更丰
富特征与信息的结构在数学上当然可以作为维数 D>3 的体系来处理。对于不同领域中提
到的维数大于 3 的高维结构或不均匀介质里的高维几何结构，建议在对体视学基本定义不
会引起混淆和混乱的前提下，就相应的体视学理论与方法开展必要的探索与研究。
中国体视学学会并不反对针对特定学术领域对体视学进行不同的专业性表述，但
并不一定建议将其推广应用于其他体视学分支学科。例如在图像技术领域常提及“流形
（manifold）学习”，我国 CT 专家提出的如下的专业性表述中也使用了“流形”概念：“体
视学涵盖了由所获取的低维流形上的统计或测量信息重建或估计高维流形信息……包括高
维信息的定量分析、可视化、图像理解、形态结构分析及其应用”。但鉴于流形概念的复
杂性，故不建议将其推广应用于各体视学学科分支通用的体视学定义中。
（二）生物医学体视学方法研究进展
近年来，在建立并完善生物医学体视学方法方面，我国生物医学体视学界取得了多项
重要进展。主要包括：
1. 不断建立并完善生物医学体视学方法
1）建立了定量研究大脑皮质、海马、胼胝体等结构及其内有髓神经纤维的无偏体视
学方法：通过连续脑组织切片和透射电子显微镜，运用体视学方法（包括卡瓦列里原理的
运用和等距测点框、无偏计数框等的应用），建立了定量研究大脑皮质、白质、海马、胼
胝体等结构及其内有髓神经纤维的体视学方法。
2）建立了定量研究海马结构内神经元数目和突触数目的无偏体视学方法：通过突触
素的免疫组织化学染色和尼氏体染色，在组织图像上叠加测试框，依照光学体视框的计数
原则计数神经元或突触的数目，并运用光学分合法，按照公式计算海马结构各亚区神经元
或突触的总数目。
3）建立了辐射剂量效应关系研究的数学模型及其计算机程序：线性无阈模型用于高
LET 低剂量率照射，凸向下模型用于高 LET 高剂量率照射等，并建立实现利用上述数学
模型的计算机处理程序，用于辐射剂量效应关系。
4）建立了虚拟组织切片的体视学模型：以数学手段描述组织切片可能出现的二维形
态特征，模拟切片过程，将所得到的数据进行数值分析，与经验公式进行了拟合比较。
5）建立了空间随机分布粒子系统：用数学方法描述所定义的粒子的分布及其三维形
态特征，建立应用程序。
6）建立了可用于定量检测转录因子活性的免疫化学染色的图像分析方法：转录因子
进行免疫化学染色后，应用图像分析仪检测细胞核与细胞浆中转录因子阳性染色的灰度
值，计算核 / 浆灰度值比来判定其活化程度。
7）建立了急性放射病外周血细胞计数与照射剂量和照后时间的定量关系的分析模型
和程序。用分层曲线拟合法获得了由淋巴细胞或白细胞计数和照后时间推算照射剂量的量
效、时效模型；用面积积分法获得了照后不同时间段由淋巴细胞或白细胞计数积分面积推
算受照剂量的公式。
8）阐明了光衍射现象、滤光片、不同染色方法及组织切片厚度对细胞核 DNA 含量检
测的影响：适宜的滤光片可提高细胞核 DNA 含量测量结果的精确性和准确性；Feulgen 染
色测量结果精确性和准确性明显高于天青 B 染色。
2. 不断加强体视学方法在实验病理学研究和临床病理诊断中的应用
1）体视框在生物医学研究中的应用：利用突触素标记神经终末膨大结合光学体视框
计数神经终末膨大，准确地反映了组织和器官内所有的神经终末的分布；将免疫组织化
学、光学体视框及图像分析方法相结合，研究了大鼠松果体的神经支配及双侧颈上交感神
经节摘除后对松果体细胞分泌活动的影响。
2）体视学方法在放射病理学研究中的应用：①建立了立体定向照射放射性脑损伤模
型并实现了靶区的三维重建；②建立了凋亡细胞核的三维重建方法；③建立了大鼠皮肤创
伤愈合瘢痕的三维重建和体积定量方法；④建立了反映放射性肝损伤特征性变化的定量病
理学研究方法；⑤建立了反映放射性肺损伤特征性变化的定量病理学研究方法；⑥建立了
反映骨髓放射损伤特征性变化即造血细胞凋亡的定量病理研究方法；⑦建立了放射损伤机
制和防治研究中分子病理学和分子生物学检测技术的定量分析方法。
3）体视学在电磁辐射损伤研究中的应用：开展了电磁辐射损伤效应的定量研究，并
定量研究电磁辐射损伤的分子机制。
4）体视学在正常组织结构或各种疾病动物模型研究中的应用：①正常组织结构研究。
主要包括睾丸组织结构（睾丸网的厚度、睾丸内生精小管、间质及间质内的空隙、生精细
胞核的体积分数等）、脊髓组织结构（脊髓腰膨大横截面面积、灰质和白质平均厚度、脊
髓灰质和白质的面积比等参数）的研究。②疾病动物模型研究。主要包括对于肺损伤模
型（运用体视学方法测定大鼠肺实质红细胞体积密度、支气管残余管腔体积密度、肺泡体
积密度等参数，定量研究 SD 大鼠细菌性重症肺炎模型病理的三维形态结构特点及变化规
律）、肾损伤模型（通过鲍曼氏囊腔面积、肾小球周长、系膜区面积等参数，研究氟中毒
大鼠肾组织损伤的形态定量病理变化特点及抗氧化微量营养素对肾脏超微结构的保护作用
等）的研究。
5）体视学在临床病理诊断中的应用。例如：①肿瘤病理研究中的应用：包括对于肺
癌（定量研究痰涂片中肺癌脱落细胞巴氏染色的色度学特征）、消化道肿瘤（运用体视学
方法研究食管鳞癌细胞核的有关体视学参数在食管鳞癌诊断方面的意义、胃管状上皮性肿
瘤细胞三维形态结构的特点及变化规律；测试腺上皮细胞中形态正常的和空泡变性的线粒
体的体积密度、表面积密度、数密度等多个参数，从三维水平定量揭示大肠腺癌、腺瘤及
正常黏膜上皮线粒体的超微结构特点和变化规律）、肝癌（测量 DNA 干系倍体值及细胞
核形态学参数，分析成人正常肝和肝细胞癌 DNA 干系倍体及细胞核形态学参数的变化）、
甲状腺肿瘤（测试上皮性细胞核的体积密度、表面积密度、数密度等参数，结果表明上述
参数的变化在甲状腺良、恶性肿瘤及正常甲状腺组织之间具有显著的差异性及规律性）等
的研究。②红外热像定量技术：基于红外辐射原理，把不可见的体表温度变化转变为可视
性的和可定量的红外热图，实现了机能与结构多元信息的转换和表达。③皮肤镜图像分析
技术：将皮肤病学的临床宏观图像与组织病理学的微观图像科学地联系起来，其中偏振光
皮肤镜数字图像分析技术是一种以获取色素性皮损数字图像信息为基础的定量智能化系
统；多光谱皮肤显微偏振光与数字图像处理技术，可测量目标皮损形状、面积、灰度、积
分光密度及色素颜色参数的变化等。④骨形态计量技术：利用普通玻片上的大组织标本、
硬组织切片机切取的不脱钙塑料包埋大块骨组织标本及旋转切割机切取的含金属植入物的
塑料包埋磨片标本，分别采用普通显微镜、大视野显微镜、自动显微镜及图像拼接软件采
集，上述各方法在一定程度均能满足大块骨组织图像采集及体视学分析需求。⑤其他疾病
研究与诊治中的应用：如联合应用 RT-PCR、ISH、IHC、FCM 及图像分析技术进行糖尿
病分子发病机理的研究；使用体视学方法研究血管性痴呆（VD）皮肤基底细胞微管的生
物学诊断意义，对 VD 和正常健康老年人皮肤基底细胞微管进行测量和定量分析；采用卡
瓦列里原理测量颅内血肿体积等。
3. 2008 年以来生物医学体视学研究与应用所获得的科技奖励
例如：①体视学技术在军事病理学及相关领域中的推广应用。中国体视学学会 2013
年度科学技术奖科技进步奖一等奖（完成单位：军事医学科学院放射与辐射医学研究所）。
②体视学在临床病理领域中的应用研究。中国体视学学会 2013 年度科学技术奖科技进步
奖二等奖（完成单位：南京军区南京总医院）。③军用电磁辐射武器装备健康危害评估和
综合防治措施研究。中国人民解放军总后勤部 2013 年度科学技术进步奖一等奖（完成单
位：军事医学科学院放射与辐射医学研究所）。④老年期痴呆的临床与基础系列研究。军
队 2012 年度医疗成果奖（完成单位：中国人民解放军总医院）。⑤脂肪性肝病发病机制、
病理特点及临床对策研究。河北省 2011 年度科技进步奖一等奖（完成单位：河北医科大
学第三医院、中国人民解放军第三〇二医院）。⑥ TAU 蛋白病异常神经网络新靶点研究。
重庆市 2010 年度自然科学奖（完成单位：重庆医科大学）。⑦ 25946 例中国军民肝穿病
例肝病谱、临床病理、流行病学及转归研究。军队 2009 年度医疗成果奖一等奖（完成单
位：解放军第三〇二医院、香港中文大学威尔士亲王医院）。⑧中子放射损伤的分子病理
特点和防治措施研究。军队 2009 年度科技进步奖二等奖（完成单位：军事医学科学院放
射与辐射医学研究所、军事医学科学院附属医院）。
（三）材料体视学最新研究进展
在材料体视学领域，近年来在组织结构三维重建与直接观测表达研究、组织形态及其
演变动力学的数值计算、体视学与组织演变三维仿真的无缝耦合、材料显微组织与晶粒的
取向成像技术（orientation mapping 或 orientation imaging，包括电子背散射衍射即 electron
back scatter diffraction， 简 称 EBSD 等 ）、 晶 界 特 征 及 其 分 布（grain boundary character
distribution，GBCD）三维定量化等方面，获得了较明显的发展，辅助材料科学揭示和解释
了微观组织结构演变行为、组织与性能之间的关系等若干规律与现象，并进一步扩展了体
视学学科“三维结构研究”的覆盖领域。例如：
1. 材料三维组织的定量化有力推动了材料组织结构的精确表征和设计开发的进程
在材料科学与工程领域，体视学、计算材料学与图像分析之间的关系伴随着三个领域
近年来的迅速发展而愈加密切，其相互促进作用也越来越明显了。
1）随着图像分析技术从光学显微镜到扫描电子显微镜和透射电子显微镜的迅速发展，
尤其是随着电子背散射衍射（EBSD）技术的商用化及推广，材料组织信息的内涵从人眼
直接观察到的组织形貌拓展到包含形状、尺寸、含量、分布、取向、取向差、取向关系、
晶体缺陷密度等广义的组织信息。由于 EBSD 技术获取的晶粒取向、晶粒间取向差、相邻
相之间的取向关系等晶体学信息实际是通过衍射得到的三维组织结构信息，与之相关的图
形或图像表达则在体视学和图像分析领域增加了新的理论内容和图像表达方式。目前，利
用 EBSD 技术测定晶体学数据已达到每秒 800 多个取向的标定速度，这种集组织形貌信息
和晶体学数据为一体的图像分析技术对现代材料体视学的发展起到了重要的推动作用。
2）EBSD 技术的日趋成熟和普及有力促进了我国晶界工程（GBE）的研究和应用。晶
界工程是材料体视学应用的代表性领域之一，是利用体视学的原理和方法，测定和表征晶
界特征分布的三维参量。体视学应用于晶界工程的一个台阶式的发展是关于晶界面特征分
布的五参数分析法的发明。即，通过 EBSD 测得任意截面内各晶粒的取向数据，重构出测
试区域的二维取向成像显微图。由此把以往用取向差表征晶界特征的研究提升到了晶界织
构研究这样更深入的层面，可以认为是近年来体视学原理与 EBSD 技术紧密结合并成功应
用于晶界工程研究的一个重要突破。
3）材料的实际显微组织的三维重建与可视化技术在我国获得了重要进展。例如，北
京科技大学材料优化设计研究室提出了多晶体组织的三维重建与可视化的最优方法，成功
重建了具有大量真实纯铁晶粒的三维结构，相关成果被美国科学出版社出版的 Materials
Express 杂志作为封面论文发表，并给予了很高的评价（原文的中译文）：“基于连同数学
形态模型的先进数字图像处理技术，中国的北京科技大学与巴基斯坦的 KIU 大学的研究者
们提出了一种大体积多晶体组织的三维重建与可视化的最优方法。该方法在研究各种金属
与合金中充满空间晶粒和析出物的三维形态以及显微相的连通性时非常有用。”
［6］
4）利用数值分析和计算机仿真的手段来研究材料微观组织结构，在对体视学有关理
论和方法的验证、改进和丰富等方面发挥了重要作用。利用三维可视化仿真技术，可以生
成迄今为止较其他手段最为接近实际材料组织结构的仿真模型。结合计算机模拟技术和图
像分析技术，可以根据需要容易地剖取三维仿真组织不同空间取向的截面、进行三维直接
测量（如晶粒尺寸及其分布，拓扑参数及其分布，第二相数密度、尺寸及空间分布状态
等）。尤其是近年来发展起来的应用材料实测参数的数值分析 / 计算机模拟耦合模型，不
经材料实际制备即可能看到所设计的显微组织形态及其在现实服役条件下的组织演变过
程，是对传统体视学无法实现的低维和高维空间组织演变规律动态对应关系的重要补充。
基于三维晶粒长大过程仿真研究，近年来中国科学家提出或验证了新的三维晶粒长大速率
理论模型和新的三维晶粒尺寸与拓扑学参数的定量关系。例如，王浩等提出的三维晶粒长
大的拓扑依赖性理论模型，与实验和仿真结果的吻合程度明显优于国内外的已有模型。
2. 材料体视学与图像分析技术系列国家标准的编制、发布与修订
例如，国家标准“应用自动图像分析测定钢和其他金属中金相组织、夹杂物含量和级
别的标准试验方法 第 3 部分：钢中碳化物级别的图像分析与体视学测定（GB/T 18876.3—
2008）”，于 2008 年 5 月 1 日由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合
发布并于 2008 年 11 月 1 日正式实施。连同国家标准“应用自动图像分析测定钢和其他金
属中金相组织、夹杂物含量和级别的标准试验方法第 1 部分：钢和其他金属中夹杂物或第
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