物理学和高新技术 辨率,对碳、氢、氧、氮等物质构成的软组织的分辨率射线通过物体后,传播一定的距离就能将相位信息 提高了1000倍以上.因此,对传统X射线无法显转化为强度变化,因此可见相位变化.这种方法不使 示的弱吸收的软组织,如皮肤、肌腱、软骨、韧带、神用单色光就可以获得高质量的图像,具有大视野、高 及血管等也具有很高的分辨率[2-.而且,相位衬通量和实时成像的优势,有可能在相位衬度成像三 度成像主要依赖于X射线的折射作用,与X射线的种方法中最先被应用于临床 吸收无关,因此,可以用更高能量的X射线成像,使 被样品吸收的辐射剂量更少,明显减少了对生物组2相位衬度成像初步医学应用研究 织的辐射损伤.相位衬度成像技术尽管只有十几年 的发展历史,但已经取得了飞速的发展.本文简要介2.1肝脏成像 绍我们在北京同步辐射装置(BSRF)进行的同步辐 肝癌是我国常见的恶性肿瘤,发病率和死亡率 射X射线相位衬度成像医学应用的初步结果 均位列恶性肿瘤第二位.根据复旦大学肝癌研究所 对9,800多例肝癌手术患者的临床随访资料统计 1相位衬度成像的方法 肝癌患者手术后5年生存率仍低于50%.与其他实 体肿瘤一样,大多数肝癌患者死于肿瘤的转移[:。 根据使用装置和原理,相位衬度成像方法包括 我们首先对正常肝组织结构进行了研究,并且 干涉法成像、衍射增强法成像和类同轴成像三种,现用大鼠肝脏进行了DEI成像与传统X射线成像的 分别介绍如下 比较,证明DEI图像显示肝实质结构和血管分支结 1.1干涉法成像 构,明显地比传统吸收成像更为清楚.成人正常肝脏 干涉法成像需要精密复杂的干涉仪,它由一整DEI成像展示了肝小叶的结构.与正常病理学染色 块完美硅单晶分割成平行放置的三块完美晶体组镜下显示的肝小叶结构图片对照比较,可以证实中 成. Momose a.和 Takeda t.首先将干涉法引入医央静脉、小叶间隔等肝小叶结构:.而肝硬化标本 学成像研究,认为干涉法是最敏感的,可发现软组织的影像显示,正常的肝小叶结构消失[,代之以杂乱 微小折射指数差异的方法.但由于干涉仪晶体准直无章的纤维化组织 度和机械稳定性必须保持高水准,加上受晶体大小 肝细胞癌(肝癌)是典型的多血管恶性肿瘤.肝 和成像视野的限制,应用受到局限 脏血管的显示对疾病的诊断和治疗都有重要意义 1.2衍射增强法成像 应用衍射增强成像技术进行小鼠肝血管的成像试验 衍射增强成像(DEI)装置由单色器晶体、分析研究,在不使用造影剂的情况下,就可以显示40m 晶体和探测器组成.在样品与探测器之间使用一块左右直径的肝脏血管,整个肝叶内静脉和门脉,包括 与单色器晶体一致的分析晶体.分析晶体利用血管主干及其8级以上的血管分支都可以清楚地显 Brag衍射分离X射线折射部分,将分析晶体调谐示(见图1(b)).以生理盐水作为造影剂,血管影像 到摇摆曲线不同位置,转换样品和成像装置之间的更清晰10(见图1(a)).长期以来,临床上用肿瘤新 不同方位,可以获得衍射增强影像.衍射增强图像的生血管的替代指标( surrogate markers),即微血管 信噪比高,成像装置比干涉法简单,更有实际应用前密度(MVD)等来判断抗肿瘤新生血管治疗的疔效, 景.但是衍射增强的Ⅹ射线经过多个晶体的衍射,指导药物剂量和调整治疗方案.肝癌微血管密度与 光强明显减弱,曝光时间较长. 患者术后生存相关121.这一方法的建立,可能应 1.3类同轴成像 用于发展新的肿瘤血管评判标准 类同轴成像装置对光学系统和光源的要求最为 为了鉴别肝脏血管和胆管结构,我们进一步利 简单,主要由单色器和探测器组成.获得相位衬度成用相位衬度成像技术进行了小鼠肝脏胆管成像.试 像的关键,一是相干光源,二是光源与样品之间以及验组将小鼠胆总管双重结扎并切断;对照组为假手 样品和探测器之间的距离要适当.在类同轴相位衬术组,游离胆管后未接扎,饲养40天后处死.成像结 度成像中,均匀的相干光波通过截面非均匀的物体,果显示,结扎胆管后扩张的胆管结构不用造影剂就 如果不考虑吸收,光的强度不发生变化而波前将发可以清晰显示,肝内胆管与肝血管伴行,明显扩张扭 生畸变,这一畸变的波前如果继续传播到一定的距曲呈串珠状改变.与伴行的血管相比,胆管直径的变 离,将和未发生畸变的波面重叠而发生干涉.这样Ⅹ化由近端到远端不成比例,胆管的扩张以近段明显 66 物理·39卷(2011年)11期http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·39卷 (2011年)11期 辨率,对碳、氢、氧、氮等物质构成的软组织的分辨率 提高了1000倍以上[1].因此,对传统 X 射线无法显 示的弱吸收的软组织,如皮肤、肌腱、软骨、韧带、神 经及血管等也具有很高的分辨率[2—4].而且,相位衬 度成像主要依赖于 X射线的折射作用,与 X 射线的 吸收无关,因此,可以用更高能量的 X 射线成像,使 被样品吸收的辐射剂量更少,明显减少了对生物组 织的辐射损伤.相位衬度成像技术尽管只有十几年 的发展历史,但已经取得了飞速的发展.本文简要介 绍我们在北京同步辐射装置(BSRF)进行的同步辐 射 X射线相位衬度成像医学应用的初步结果. 1 相位衬度成像的方法 根据使用装置和原理,相位衬度成像方法包括 干涉法成像、衍射增强法成像和类同轴成像三种,现 分别介绍如下. 1.1 干涉法成像 干涉法成像需要精密复杂的干涉仪,它由一整 块完美硅单晶分割成平行放置的三块完美晶体组 成.MomoseA.和 TakedaT.首先将干涉法引入医 学成像研究,认为干涉法是最敏感的,可发现软组织 微小折射指数差异的方法.但由于干涉仪晶体准直 度和机械稳定性必须保持高水准,加上受晶体大小 和成像视野的限制,应用受到局限. 1.2 衍射增强法成像 衍射增强成像(DEI)装置由单色器晶体、分析 晶体和探测器组成.在样品与探测器之间使用一块 与 单 色 器 晶 体 一 致 的 分 析 晶 体.分 析 晶 体 利 用 Bragg衍射分离 X 射线折射部分,将分析晶体调谐 到摇摆曲线不同位置,转换样品和成像装置之间的 不同方位,可以获得衍射增强影像.衍射增强图像的 信噪比高,成像装置比干涉法简单,更有实际应用前 景.但是衍射增强的 X 射线经过多个晶体的衍射, 光强明显减弱,曝光时间较长. 1.3 类同轴成像 类同轴成像装置对光学系统和光源的要求最为 简单,主要由单色器和探测器组成.获得相位衬度成 像的关键,一是相干光源,二是光源与样品之间以及 样品和探测器之间的距离要适当.在类同轴相位衬 度成像中,均匀的相干光波通过截面非均匀的物体, 如果不考虑吸收,光的强度不发生变化而波前将发 生畸变,这一畸变的波前如果继续传播到一定的距 离,将和未发生畸变的波面重叠而发生干涉.这样 X 射线通过物体后,传播一定的距离就能将相位信息 转化为强度变化,因此可见相位变化.这种方法不使 用单色光就可以获得高质量的图像,具有大视野、高 通量和实时成像的优势,有可能在相位衬度成像三 种方法中最先被应用于临床. 2 相位衬度成像初步医学应用研究 2.1 肝脏成像 肝癌是我国常见的恶性肿瘤,发病率和死亡率 均位列恶性肿瘤第二位.根据复旦大学肝癌研究所 对9,800多例肝癌手术患者的临床随访资料统计, 肝癌患者手术后5年生存率仍低于50%.与其他实 体肿瘤一样,大多数肝癌患者死于肿瘤的转移[5,6]. 我们首先对正常肝组织结构进行了研究,并且 用大鼠肝脏进行了 DEI成像与传统 X 射线成像的 比较,证明 DEI图像显示肝实质结构和血管分支结 构,明显地比传统吸收成像更为清楚.成人正常肝脏 DEI成像展示了肝小叶的结构.与正常病理学染色 镜下显示的肝小叶结构图片对照比较,可以证实中 央静脉、小叶间隔等肝小叶结构[7,8].而肝硬化标本 的影像显示,正常的肝小叶结构消失[7],代之以杂乱 无章的纤维化组织. 肝细胞癌(肝癌)是典型的多血管恶性肿瘤.肝 脏血管的显示对疾病的诊断和治疗都有重要意义. 应用衍射增强成像技术进行小鼠肝血管的成像试验 研究,在不使用造影剂的情况下,就可以显示40毺m 左右直径的肝脏血管,整个肝叶内静脉和门脉,包括 血管主干及其8级以上的血管分支都可以清楚地显 示(见图1(b)).以生理盐水作为造影剂,血管影像 更清晰[9,10](见图1(a)).长期以来,临床上用肿瘤新 生血管的替代指标(surrogatemarkers),即微血管 密度(MVD)等来判断抗肿瘤新生血管治疗的疗效, 指导药物剂量和调整治疗方案.肝癌微血管密度与 患者术后生存相关[11,12].这一方法的建立,可能应 用于发展新的肿瘤血管评判标准. 为了鉴别肝脏血管和胆管结构,我们进一步利 用相位衬度成像技术进行了小鼠肝脏胆管成像.试 验组将小鼠胆总管双重结扎并切断;对照组为假手 术组,游离胆管后未接扎,饲养40天后处死.成像结 果显示,结扎胆管后扩张的胆管结构不用造影剂就 可以清晰显示,肝内胆管与肝血管伴行,明显扩张扭 曲呈串珠状改变.与伴行的血管相比,胆管直径的变 化由近端到远端不成比例,胆管的扩张以近段明显, ·766· 物理学和高新技术