離體生物軟組織同步輻射相襯CT成像

張建發，陳秀君，李雯靖，黃鐘杰，鐘朝森，周光照，林順發>

(1.汕頭大學醫學院第一附屬醫院放射科，廣東 汕頭 515041；2.中國科學院上海應用物理研究所，上海 201204)

自1895年德國物理學家倫琴發現X線以來，X線成像技術飛速發展，但面臨著輻射劑量增加和襯度分辨率低等問題。傳統X線檢查通過組織間不同吸收系數而成像，軟組織分辨率低，無法顯示肌腱、韌帶、軟骨、血管、神經及與周圍組織密度差別不大的軟組織腫瘤。同步輻射相襯成像是一種新的成像理論和技術，可將X線折射效應引入空間相位偏移分布，利用不同組織折射系數的差異進行成像，主要應用相差襯托信息(當X線穿透樣品后X線強度會重新分配)并依靠X線通過樣品的折射效應。目前同步輻射相襯成像已廣泛應用于諸多領域，如生物醫學及材料科學[1-3]等。本實驗利用上海光源的BL13W1線站對離體人賁門、食管、食管癌及腦血管標本進行同步輻射相襯CT成像，觀察以成像模式顯示軟組織細微結構的可行性。

1 材料與方法

1.1 樣品制備 收集5例食管癌患者手術切除標本和2具尸體標本的大腦中動脈，以生理鹽水反復沖洗，清除手術切除標本表面黏液及出血，并盡量沖洗大腦中動脈腔內淤血，以10%福爾馬林固定1天后，于3個食管癌手術切除標本中遠離腫瘤的賁門區縱向完整提取3塊細長賁門組織，約10 mm×4 mm×3 mm，包括黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層；于另外2個食管癌手術切除標本中分別提取食管癌組織及正常食管2塊，大小同上，其中食管癌組織包括腫瘤組織、交界區及肉眼觀正

常食管壁，正常食管包括黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層；于尸體標本大腦中動脈提取長約10 mm的血管組織。將以上樣本以10%福爾馬林固定2天，自然干燥后置于塑料管內以備同步輻射相襯CT成像。

1.2 同步輻射相襯CT成像及圖像重建 于上海光源BL13W1線站實驗站對上述樣本行同步輻射相襯CT成像。在CT數據采集過程中，令樣本圍繞圓柱軸行180°旋轉，每旋轉180°獲得900幀投影，每幀投影曝光時間約1 s(圖1)。采用X-TRACT和Amira軟件分別對數據進行二維及三維重建。

圖1 同步輻射相襯CT示意圖

1.3 病理學檢查 成像后的樣本經脫水、石蠟包埋后，以4m厚切片，經HE染色后采用光學顯微鏡觀察，并與同步輻射相襯CT圖像進行對比。

2 結果

2.1 離體正常賁門及食管同步輻射相襯CT成像 可清晰顯示離體正常賁門壁(圖2)及食管壁(圖3)的細微結構，包括黏膜層、黏膜下層及肌層。黏膜層和肌層之間被疏松且呈“蜂窩狀”的黏膜下層分開，黏膜層表面光整。肌層內可見多條管狀低密度影。

圖2 離體正常賁門壁同步輻射相襯CT圖像及病理圖 CT軸位(A)及三維重建(B、C)圖像可清晰顯示賁門壁三層結構(黏膜層、黏膜下層、肌層)，箭示裂隙，黏膜層及肌層完整，三層結構間邊界清晰，與病理圖(HE，×40)所示相對應(D)

2.2 離體食管癌標本同步輻射相襯CT成像 可清晰顯示食管癌浸潤食管壁，表現為腫瘤破壞黏膜層，僅見少許黏膜殘留，黏膜下層完全被腫瘤組織浸潤至破壞消失，腫瘤組織與正常食管壁間界限不清，食管壁形態不規則，黏膜面凹凸不平(圖4)。肌層內亦可見多條管狀低密度影。

2.3 離體血管同步輻射相襯CT成像 可清晰顯示正常血管壁及腔內淤血，血管壁均勻、光整，邊緣清晰；三維重建圖像可顯示血管壁表面結構(圖5)。

3 討論

同步輻射相襯成像主要應用相差襯托信息并依靠X線通過樣品的折射效應。由折射率公式[n=1-δ+iβ(其中δ=reρeλ2/2π，β=μλ/4π，n為折射率，re為經典電子半徑，ρe為材料中電子的平均密度，λ為波長，μ為X射線的線吸收系數[4]，i為虛數)]可知，δ與相位有關，β與吸收系數μ有關[5]。如對于物質C2H4，25 keV的X線相位相關指標δ值為3.5×10-7，而吸收相關指標β為8.1×10-11，δ比β大3個數量級，且相襯可達0.000 3 g/cm3，因此，理論上同步輻射相襯成像對碳、氫、氧、氮等物質構成的軟組織的分辨率比常規X吸收成像高1 000倍左右[6]。近年來同步輻射相襯成像發展迅速，并已有多種技術用于實驗，包括X線干涉法、衍射增強成像、類同軸法及光柵成像[7]，并應用于多種軟組織成像。Miao等[8]利用同步輻射相襯CT觀察小鼠腦結構，包括皮質、腦室、基底節、丘腦及小腦，可顯示腦組織缺血損傷后直徑約7.4 μm的微小血管改變。Takeda等[9]采用同步輻射相襯CT(類同軸法)對Wistar大鼠肝血管進行成像，發現在不使用對比劑的前提下可清晰顯示直徑約0.03 mm的微小血管。Montgomery等[10]發現，同步輻射相襯CT可顯示犬前列腺尿道移行細胞癌壞死區、炎性區域及病變組織與其正常組織的邊界。Momose等[11]利用X線干涉儀獲得了清晰的小鼠肝血管樹圖像。Grandl等[12]利用光柵成像及Talbot圖像干涉儀進行乳腺癌體外成像，可清晰顯示微小結節及細微鈣化灶。Leong等[5]以類同軸法進行小鼠肺泡成像。Tao等[4]利用同步輻射相襯CT成像顯示裸鼠胃癌。相位襯度成像主要依賴X線的折射作用，與X線的吸收無關，故可使用更高能量的X線進行成像，被樣本吸收的輻射劑量更少，可明顯減少對生物組織的輻射損傷；其設備裝置簡單，只需1個雙晶單色儀、樣品臺和1個探測器。

圖4 離體食管癌標本同步輻射相襯CT圖像及病理圖 A.軸位圖像顯示黏膜下層消失，腫瘤組織與食管壁間邊界不清； B、C.三維重建圖像顯示食管形態不規則，黏膜面凹凸不平(B)，肌層表面尚光整(C)； D.病理圖(HE，×40)

圖5 離體腦血管同步輻射相襯CT圖像及病理圖 A.軸位圖像顯示血管壁及腔內淤血； B、C.三維重建圖像顯示血管壁、血管腔、腔內淤血(B)和血管壁表面結構(C)； D.病理圖(HE，×40)

本研究所用光源為1臺8個周期的混合型扭擺器光源，周期長度14 cm，能量覆蓋范圍8.0～72.5 keV，磁隙調節范圍為17～35 mm。將1臺固定出射光斑的液氮冷卻單色器放置在距離光源28 m處，單色器晶體由1套Si(111)晶體和1塊Si(311)晶體組成。高精度樣品臺可沿x、y、z軸(3個方向)進行平移及繞軸旋轉，平移精度1 μm。光束線的光斑接收角為1.5×0.2 mrad2。X線能量優化在15 keV。高準直單色光投射至樣品，通過樣品的X線束產生吸收及位移信息，X線束傳播9 cm后，通過涅菲爾衍射變換，位移信息被轉換位可測量的信號強度。采用CCD照相機(像素2 048×2 048，分辨力3.7 μm3.7 μm)將探測的信號轉換成圖像。成像過程中需要注意以下各項：①根據實驗參數選擇合適的IL-XPCT成像距離，使相位襯度像最佳；②嚴格校正樣品旋轉平臺轉軸與CCD照相機探測平面的相對位置，使兩者盡量平行，以盡量減小CT重構偽影；③采集IL-XPCT投影數據，同時采集白場像和暗場像(分別為光束線站有光但樣品不在光路中和光束線站無光時探測器采集的圖像)；④圖像處理和CT重構，采用X-TRACT對IL-XPCT投影數據進行相位恢復及數據重構獲得二維圖像，利用Amira進行圖像三維重建，并對各個投影數據的背景噪聲、樣品旋轉平臺旋轉軸軸心位置、環形偽影等進行校正。

目前胃腸道主要成像方法為CT、MR及內鏡等，診斷血管病變則主要有CTA、MRA及DSA等手段，但其空間分辨力多為毫米級，不能滿足臨床精確觀察分析組織結構的需求。相位襯度成像在生物軟組織成像方面效果良好，分辨力能達到微米級水平。本實驗中，同步輻射相襯CT成像清晰顯示離體正常賁門壁及食管壁的3層結構，尤其是疏松的黏膜下層表現為“蜂窩狀”，可與黏膜層及肌層截然分開；離體正常食管及食管癌標本肌層內均可見多條管狀低密度影，可能是在樣本的固定和自然干燥過程中纖維收縮所導致的裂隙；顯示食管癌浸潤食管壁的情況，即黏膜下層消失，腫瘤組織與食管壁分界不清，食管形態不規則，黏膜面凹凸不平；在不使用對比劑的前提下，同步輻射相襯CT可清晰顯示離體血管壁及血管腔內結構，三維重建圖像還可顯示血管壁表面結構。

本研究為實驗性研究，所用樣本經固定和自然干燥，導致水份丟失，與在體組織不同。目前同步輻射相襯CT成像尚不能用于臨床，但本研究結果提示， 此項技術或可為影像學診斷生物軟組織疾病提供新的研究方向。另外，同步輻射相襯CT成像視野小，不適用于大樣本，但有學者[13]指出，可使用Talbot圖像干涉儀，結合常規X線球管成像，以獲得更大的成像視野。

(致謝：感謝中國科學院上海應用物理研究所、上海光源提供實驗設備及技術支持。)

[1] Larsson DH, V?gberg W, Yaroshenko A, et al. High-resolution short-exposure small-animal laboratory X-ray phase-contrast tomography. Sci Rep, 2016,6:39074.

[2] Hudspeth M, Sun T, Parab N, et al. Simultaneous X-ray diffraction and phase-contrast imaging for investigating material deformation mechanisms during high-rate loading. J Synchrotron Radiat, 2015,22(1):49-58.

[3] Lahlali R, Karunakaran C, Wang L, et al. Synchrotron based phase contrast X-ray imaging combined with FTIR spectroscopy reveals structural and biomolecular differences in spikelets play a significant role in resistance to Fusarium in wheat. BMC Plant Biol, 2015,15:24.

[4] Tao Q, Luo S. Investigation of gastric cancers in nude mice using X-ray in-line phase contrast imaging. Biomed Eng Online, 2014,13:101.

[5] Leong AF, Buckley GA, Paganin DM, et al. Real-time measurement of alveolar size and population using phase contrast X-ray imaging. Biomedical Optics Express, 2014,5(11):4024-4038.

[6] Richards DG, Brown TH, Manson JM. Endoscopic ultrasound in the staging of tumours of the oesophagus and gastro-oesophageal junction. Ann R Coll Surg Engl, 2000,82(5):311-317.

[7] Olivo A, Castelli E. X-ray phase contrast imaging: From synchrotrons to conventional sources. La Rivista Del Nuovo Cimento, 2014,37(9):467-508.

[8] Miao P, Wu Z, Li M, et al. Synchrotron radiation X-ray phase-contrast tomography visualizes microvasculature changes in mice brains after ischemic injury. Neural Plast, 2016,2016:3258494.

[9] Takeda T, Momose A, Wu J, et al. Vessel imaging by interferometric phase-contrast X-ray technique. Circulation, 2002,105(14):1708-1712.

[10] Montgomery JE, Wesolowski MJ, Wolkowski B, et al. Demonstration of synchrotron X-ray phase contrast imaging computed tomography of infiltrative transitional cell carcinoma of the prostatic urethra in a dog. J Med Imaging (Belingham), 2016,3(1):015504.

[11] Momose A, Takeda T, Itai Y. Blood vessels: Depiction at phase-contrast X-ray imaging without contrast agents in the mouse and rat-feasibility study. Radiology, 2000,217(2):593-596.

[12] Grandl S, Scherer K, Sztrókay-Gaul A, et al. Improved visualization of breast cancer features in multifocal carcinoma using phase-contrast and dark-field mammography: An ex vivo study. Eur Radiol, 2015,25(12):3659-3668.

[13] Huang S, Kou B, Chi Y, et al. In-line phase-contrast and grating-based phase-contrast synchrotron imaging study of brain micrometastasis of breast cancer. Sci Rep, 2015,5:9418.

《中國醫學影像技術》投稿要求(一)

1總體要求文稿應具有科學性、先進性、創新性和可讀性，力求重點突出，論點明確，資料詳實，數據可靠，結構嚴謹，寫作規范，表達準確，文字精煉。文稿撰寫應遵照國家標準GB 7713科學技術報告、學位論文和學術論文的編寫格式，GB 6447文摘編寫規則，GB 7714文后參考文獻著錄規則；專家述評4 000字左右，研究論著、綜述類論文5 000字左右，經驗交流一般不超過2 500字，個案報道不超過1 000字。

2題目力求高度概括、言簡意賅且能反映論文的主題，文題字數一般不超過20個漢字，盡量不設副標題，題目中盡量不使用阿拉伯數字開頭。

3作者作者姓名標注在文題下方，按貢獻大小順序排列，投稿后作者署名及順序不得隨意修改或變更。具備下列條件者可列為作者：①參加選題、研究工作并能解釋論文有關問題者；②起草或修改論文中關鍵性理論或主要內容者；③能對編輯部的修改意見進行核修，并最終同意該文發表者。對研究工作有貢獻的其他人可在致謝中列出。通信作者姓名旁應上標加注“*”號，其應對全文內容負責，還應具有對讀者提出的質疑進行答辯的能力和義務。如有外籍作者，應征得本人同意，并附有本人簽字。

4單位在作者的下一行寫出單位的全稱(具體到科室)、省市和郵政編碼。署名作者分別在多個單位者，應分別寫出各單位的全稱(具體到科室)，并用阿位伯數字在對應的署名作者右上角標注。

5英文題目應簡明扼要，便于檢索，與中文題名內容上應一致，以不超過10個實詞為宜。除已得到整個科技界或本行業科技人員公認的縮略詞語外，不宜使用縮略詞語。

6英文作者用漢語拼音拼寫，姓前名后，姓氏全部大寫，名首字母大寫，雙名首字母大寫。例如：王小五，寫為：WANG Xiaowu。依據《中國人名漢語拼音字母拼寫規則》(國家標準編號:GB/28039-2011)，姓氏“呂”的漢語拼音應為“LYU”。

7英文單位應與中文單位對應，按查閱本單位官方網站或咨詢相關職能部門，規范英文單位名稱。