[图文]X射线相位衬度显微成像的原理与进展

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[图文]X射线相位衬度显微成像的原理与进展
发布时间 2007/5/21 点击 3785 次

当前医学影像学的发展趋势是提高人体软组织成像的衬度分辨率及空间分辨率，由宏观影像学向微观影像学的方向发展。微观影像学能看见微米级的组织和细胞结构，能在活体上无损和动态地观察人体内部器官的微细病理变化，从而能早期做出准确的细胞病理学的定性和定位诊断，以及早期进行精确的定点清除治疗。在提高软组织成像的衬度分辨率方面，相位衬度成像技术是国内外关注的热点。据报道，软组织的 X 射线相位衬度的分辨率约为常规 X 射线 CT 吸收衬度分辨率的 1000 倍。本文以北京同步辐射装置产生的同步 X 射线束为光源，应用衍射增强成像（ DEI ）技术，对人和动物脏器的软组织进行相位衬度成像。结果表明：相位衬度显微成像可清晰显示肺泡、肾小管、肝小叶等微细的组织结构，其空间分辨率可达 20 微米，这些在常规 X 射线 CT 吸收衬度成像是看不见的。医学相位衬度〔简称“相衬”〕显微 CT 成像将是医学显微影像学的未来发展方向。
关键词：空间分辨率；衬度分辨率；衍射增强成像；相衬显微 CT ；病理影像诊断
中图分类号： R814.42 文献标示码 : A
Principle and Advancements of X Ray Phase Contrast Micro-imaging
CHEN Zhi-hua 1 , PAN Lin 1 , LI Hong-yan 1 , LI Gang 2 , XU Bo 1 , WANG Zi-qiang 1 ,
ZHU Pei-ping 2 , ZHAO Tian-de 1 , JIANG Xiao-ming 2 , WU Zi-yu 2 TANG Jin-tian 1 ,
CHEN Wei-chang 1 *
(1. China Japan Friendship Hospital, China Japan Friendship Institute of Medical Sciences, Beijing 100029;
2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy, Beijing 100049)
Abstract: Recent development of the medical imaging is the changing from macro-imaging to the micro-imaging by improving the spatial resolution and the contrast resolution of the soft tissues. Cells and microstructure of μm magnitude can be visualized in vivo non-invasiv el y and dynamically by medical micro-imaging technique. Medical micro-imaging is capable of making the pathological diagnosis more early and the treatment of the leision more precisely by γ knife. Because the phase contrast resolution of X ray in soft tissues is about one thousand times higher than that of the absorption X ray method, so the phase contrast imaging is becoming the hot spot of the medical imaging. In this paper, the synchrotron X ray source at BSRF was used to investigate the microstructure of lung, liver and kidney by means of the DEI phase contrast micro-imaging method. Results indicated that the microstructures of lung alveoli, renal tubulous, liver lobules etc, which could not be seen by conventional absorption X ray method but could be revealed clearly by phase contrast imaging method. The spatial resolution reached about 20 μm. It is concluded that the medical phase contrast micro-CT is a new developing technique of the medical imaging in the near future.
Key words: spatial resolution; contrast resolution; Diffraction Enhancement Imaging (DEI);
Phase contrast micro-CT; image pathological diagnosis
• 当前医学影像学的发展趋势
• 1 病理学诊断与现代医学病理学诊断是临床医学诊断的“金标准”（ golden criteria ）。病理学可分为宏观的病理解剖学和微观的细胞病理学两大类。病理解剖学即尸检，其空间分辨率为毫米数量级，是肉眼可见的分辨率范围。病理解剖学能够对病变的部位及大小进行定位和定量的诊断，但对病变性质的准确诊断，仍必需依赖组织切片和显微镜的观察，即所谓微观病理学亦即细胞病理学，才能作出精确的定性诊断。光学显微镜的空间分辨率为微米数量级，能够看见人体细胞和微细的组织结构。但由于可见光的穿透力很差，不能看见人体内部的结构和组织，因此病理的手术或穿刺的活体检查诊断都是有创的。
• 医学影像学与临床医学诊断 1895 年 X 射线的发现以及 1971 年 X 射线 CT 技术的发展　　　　　使医学活体成像技术，亦即医学影像学得到飞速发展 , 它是应用穿透力很强的射线源，例如 X 射线（ X 射线照相及 X 射线 CT ），γ射线（ PET ， SPECT ），强磁场加高频电磁波（ MRI ），超声波等透过人体内部，与深部组织结构产生相互作用，再通过计算机图像重构而显示活体内部结构或功能的影像。但目前医学影像学的空间分辨率只达到毫米数量级，仍是肉眼可见的分辨率范围，例如 X-CT 的分辨率为 0.3 ～ 0.5mm ， MRI 约为 0.5mm ， PET 为 5mm 左右，只能对病变的部位及大小进行定位和定量的诊断，尚不能进行精确的病理学定性诊断，仍属于宏观影像学（ macro-imaging ）的水平。因此当前医学影像学的发展趋势，是向微观影像学（ micro-imaging ）的方向发展 [1] 。微观影像学的空间分辨率为微米数量级，能够看见微米级的细胞和组织结构，能在活体上无损和动态地观察人体内部器官的微细病理变化，从而能早期作出准确的细胞病理学的定位和定性诊断。结合γ刀， X 射线刀及质子射线束等聚焦照射技术，早期对病变进行精确定点清除治疗，使疾病得以早期诊断，治疗，及时根治。
2　制约医学显微成像的技术因素
2.1 显微影像学的技术要求显微影像学要求能看见活体细胞的微细结构，就必需具备 3 个必要条件： a. 具有能进入人体内部穿透力强的射线； b. 空间分辨率达到微米数量级； c. 具有良好的对软组织的衬度（对比度）分辨率，能看见细胞质和细胞核。其中衬度分辨率尤为重要，即使空间分辨率能达到微米数量级，如果衬度分辨率达不到要求，仍无法对活体细胞的微细结构成像。 X 射线 CT 衬度分辨率是指成像系统检测目标相对于均匀背景的微小灰度差异的能力，衬度分辨率与检测方法，结构成份， X 线波长以及物体的大小相关。软组织对 X 射线吸收系数的差异很小，提高软组织的衬度分辨率，就成为医学显微成像的关键问题。
• 常用医学影像技术的显微成像潜力的比较
2.2.1 磁共振成像： MRI 成像对软组织有良好的衬度分辨率，其空间分辨率已达到毫米数量级。要提高其空间分辨率则需进一步提高磁场强度。目前临床上已应用 3T MRI 对人体进行成像。动物实验已有高达 14T 的 MRI 成像技术。 8T 以上磁场可产生 Mosel 效应，即可将水槽中的水分成两部分。因此，过高的磁场强度可对人体健康不利，限制 MRI 空间分辨率进一步提高。
• 正电子断层图： PET 是利用一些核素发射的正电子湮没产生的γ射线而成像。由于正电子发射自由程的限制，故 PET 的空间分辨率较低，亦无法进一步加以提高。
• X线CT： X 射线有良好的穿透能力。目前医用高分辨率 CT （ HRCT ）其空间分辨率已达到 0.3 ～ 0.5mm 。工业 CT 通过采用微焦点 X 线束及采用 CCD 检测器，其空间分辨率已达到 5 ～ 10 μm 。但 XCT 是通过不同结构的吸收系数的差异亦即吸收衬度（ absorbing contrast ）而成像。因软组织主要由碳、氢、氧、氮等轻元素组成，其 X 线吸收衬度很差，因而 X 射线对软组织的成像能力较差，必须提高其衬度才能进行显微成像。我们曾经应用硝酸银注射法提高软组织的衬度，首次应用工业 CT 技术，获得大鼠肝小叶的显微 CT 图像。图 1 中可见肝小叶的小叶中央静脉 , 小叶中央静脉周围呈放射状的肝索和肝窦，以及小叶周围的汇管区。

在人体应用造影剂注射以提高吸收衬度，只能用于血管成像，仍然无法提高软组织的衬度分辨率，因此目前医学显微影像学的发展只能寄希望于 X 线相衬显微成像。
3　相位衬度与吸收衬度
目前 X 线成像是依赖于物体吸收系数的差别，即依赖于吸收衬度而成像。物体对 X 线的吸收系数与其密度成正比。目前 XCT 在 1 ～ 2mm 的空间分辨率之下，能分辨出 0.01g/cm 3 的密度差异值。这一吸收衬度分辨率用于细胞显微成像显然是无法完成的。当前相位衬度成像是一种新型的 X 线成像技术，具有高灵敏度，高衬度分辨率，能对软组织成像的特点，受到人们的广泛注意。 X 射线在物质中的折射率 n 为 [2] ：
n ＝ 1 －δ－ i β，δ＝ r e ρ e λ 2 /2 π ; β＝μλ /4 π
其中δ与相位相关，β与振幅相关， r e 为电子半径，ρ e 是物质的电子密度，λ是 X 线波长，μ是物质的线吸收系数， i = 。对于尼龙（ C 2 H 4 ） x （聚乙烯）而言，当能量为 25KeV 的 X 射线（λ＝ 0.496? ）时，其δ＝ 3.5 × 10 － 7 ，β＝ 8.1 × 10 － 11[3] 。δ约比β大 3 个数量级。相衬成像的衬度分辨率可达到 0.002 ～ 0.0003g/cm 3 [4] ，故此具备医学显微成像的潜力。
4 X 线相位衬度成像原理简介
X 线相位衬度成像不同于常规 X 线吸收衬度成像，相位衬度成像对 X 线光源有严格要求。物体被一束平行的单色 X 射线照射，其波谱宽度约为 5 × 10 － 4 ，其发散角度约为 0.1 角秒（约为 10 － 6 弧度）。相干的 X 线光源在物体穿行时，在不同物质的界面出现折射，从而产生相位偏差，应用分析晶体可以检出相位变化的信息，形成界面的边界 [5] 。目前常用的相位衬度成像方法主要有干涉法，衍射增强法和类同轴全息法等 3 种，其中衍射增强法对软组织的微小变化比较敏感，图 2 为衍射增强成像（ DEI ）的示意图。

5　同步辐射衍射增强成像进展
X 线相衬成像需要能在临床上可用的单色，准直，高强度的相干光源。目前市场上尚无
此类商品，为了探索相衬显微成像的现实性和可行性，我们利用北京同步辐射装置（ BSRF ）产生的同步辐射光源，对大鼠的肺、肝、肾等脏器进行 DEI 成像观察，并应用硝酸银注射以增强对比度的标本作为对照以及作为结构辨认的依据。实验结果表明：肺可见支气管，细支气管，肺泡管，肺泡（肺泡腔及肺泡壁）等微细结构 [6] ；肝可见肝小叶，肝血管树，肝纤维索等微细结构；肾可见肾皮质，肾髓质，弓形动、静脉，叶间动、静脉，小叶间动、静脉，肾小管，肾乳头，集合管等微细结构。其空间分辨率约为 20μm ，衬度分辨率已可达到要求。实验结果表明，应用相位衬度成像可获得比吸收成像更好的空间分辨率和衬度分辨率。应用相位衬度实现软组织的活体显微成像是可行的。图 3 为应用衍射增强法获得的大鼠肾皮质的显微相衬成像。图中可见大鼠肾脏皮质与髓质交界的弓状动静脉以及由其分支走行于皮质的小叶间动静脉。肾髓质可见直径为 40μm 的肾直细尿管。
图４为应用衍射增强法获得的大鼠细支气管分支及重叠的肺泡显微相衬成像。大鼠的肺泡直径约为 100 － 150 μm 。
6　医学显微相衬成像的前景与展望
当前医学显微影像学正处于突破的前夜，要解决利用显微影像进行活体病理诊断还有不少困难需要克服。首先是要研制出能在临床应用的单色、准直、高强度的 X 线新型光源。应用 Thomson 散射原理有可能获得满足临床需要的 X 线相干光源。其次，目前的相位衬度成像多是脏器的 X 线照相成像，不同结构的影像互相重叠，不易辨认。解决影像重叠的方法是计算机断层成像，即 CT 。因此相衬显微 CT 成像应是医学显微影像学的未来发展方向。但相衬成像的原理要比吸收衬度成像的原理复杂。由于相衬成像为各向异性和非线性，因此相衬 CT 的图像重构需要采用新的成像算法。预期通过不同学科的大力协作，医学活体显微病理诊断的目标，一定能够实现。
[来源：来宝网]

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