基于X射線相位襯度的人耳解剖結(jié)構(gòu)成像

石宏理，王 杰，羅述謙

1 首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京，100069

2 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院耳鼻咽喉外科，北京，100730

基于X射線相位襯度的人耳解剖結(jié)構(gòu)成像

【作 者】石宏理1，王 杰2，羅述謙1

1 首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京，100069

2 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院耳鼻咽喉外科，北京，100730

基于相位襯度的CT技術(shù)應(yīng)用于聽覺(jué)系統(tǒng)成像，得到了包含豐富細(xì)節(jié)信息的中耳三維解剖結(jié)構(gòu)。

人耳解剖結(jié)構(gòu)；鼓膜修補(bǔ)；人工耳蝸；X射線；相位襯度成像。

0 引言

人耳包括外耳、中耳和內(nèi)耳三部分。由于位覺(jué)感受器也位于內(nèi)耳，因此人耳可聲音感知和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知，又叫位聽器。外耳道是一條自外耳門至鼓膜的彎曲管道，由軟骨和骨質(zhì)構(gòu)成。外耳道與中耳以鼓膜為界。鼓膜為半透明的薄膜，呈淺漏斗狀，凹面向外，邊緣固定在骨質(zhì)腔上。經(jīng)過(guò)外耳道傳來(lái)的聲波，能引起鼓膜的振動(dòng)。中耳的主要組成部分是三塊聽小骨：錘骨、砧骨和鐙骨，鐙骨的底板附著在內(nèi)耳的卵圓窗上。三塊聽小骨之間由韌帶和關(guān)節(jié)銜接，組成為聽骨鏈。鼓膜的振動(dòng)可以通過(guò)聽骨鏈傳到卵圓窗，引起內(nèi)耳里淋巴的振動(dòng)[1]。

一般將內(nèi)耳分為前庭、半規(guī)管和耳蝸三部分，具體結(jié)構(gòu)各文獻(xiàn)報(bào)道有差異，尚未有統(tǒng)一結(jié)論。由結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彎曲管道組成，所以又叫迷路，由骨迷路和膜迷路構(gòu)成。骨迷路由致密骨質(zhì)圍成，是位于顳骨巖部?jī)?nèi)曲折而不規(guī)則的骨性隧道。膜迷路是套在骨迷路內(nèi)的一封閉的膜性囊。膜迷路內(nèi)充滿內(nèi)淋巴液，骨迷路和膜迷路之間的腔隙內(nèi)被外淋巴液填充，且內(nèi)、外淋巴液互不相通。前庭和半規(guī)管是位覺(jué)感受器的所在。耳蝸是聽覺(jué)感受器的所在。鼓膜的振動(dòng)引起三塊聽小骨的同樣頻率的振動(dòng)。振動(dòng)傳導(dǎo)到聽小骨以后，由于聽骨鏈的作用，大大加強(qiáng)了振動(dòng)力量，起到了擴(kuò)音的作用。聽骨鏈的振動(dòng)引起耳蝸內(nèi)淋巴液的振動(dòng)，刺激內(nèi)耳的聽覺(jué)感受器，興奮后所產(chǎn)生的神經(jīng)沖動(dòng)沿位聽神經(jīng)中的耳蝸神經(jīng)傳到大腦皮層的聽覺(jué)中樞，產(chǎn)生聽覺(jué)[2]。

臨床中比較常見的聽覺(jué)障礙是鼓膜穿孔或耳蝸中毛細(xì)胞損傷所至。鼓膜具有一定的彈性和韌性，在正常的情況下不容易損傷、穿孔。直接原因多見于頭部受外傷，合并顳骨骨折損傷鼓膜，或者反復(fù)中耳炎會(huì)使鼓膜穿孔增大、中耳粘連硬化，造成鼓膜穿孔。鼓膜穿孔最好的治療方法是鼓膜修補(bǔ)[3]，它不僅可提高聽力，還可重新建立一道屏障，防止中耳炎反復(fù)發(fā)作。鼓膜修補(bǔ)的方法有手術(shù)及燒灼兩種。燒灼方法無(wú)須開刀，簡(jiǎn)便易行，但受條件限制較多。手術(shù)方法是在耳內(nèi)或耳后開刀，取自體組織植入鼓膜位置，多取自身的骨膜、靜脈或顳肌筋膜。但植入體的尺寸大小，如面積和薄厚，對(duì)恢復(fù)正常聽力影響很大，需要準(zhǔn)確得到中耳的結(jié)構(gòu)，并建立準(zhǔn)確的中耳有限元模型。

80%以上的重度或極重度耳聾是耳蝸中毛細(xì)胞損傷所至。人工耳蝸植入是目前應(yīng)用于臨床治療雙側(cè)重度或極重度感音神經(jīng)性耳聾的唯一方法[4]。人工耳蝸的工作原理是通過(guò)人工耳蝸裝置，將語(yǔ)言聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（替代了缺損毛細(xì)胞的功能）直接刺激聽神經(jīng)，使患者重獲聽覺(jué)功能。人工耳蝸裝置包括體外裝置和體內(nèi)植入裝置兩部分，體外裝置采集語(yǔ)音信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)特殊的數(shù)字化處理，按照特定的語(yǔ)音處理策略編碼，通過(guò)載在耳后的無(wú)線發(fā)射線圈傳送到體內(nèi)植入裝置；體內(nèi)植入裝置的接收線圈接收到信號(hào)后，經(jīng)過(guò)解碼芯片解碼，使植入耳蝸的電極陣列產(chǎn)生具有聲音特征的電流，直接刺激聽神經(jīng)產(chǎn)生聽覺(jué)。人耳耳蝸研究的關(guān)鍵技術(shù)之一是聽覺(jué)仿聲機(jī)制，即耳蝸的感音過(guò)程和機(jī)理。精確的人耳組織形態(tài)結(jié)構(gòu)在理解聽覺(jué)形成機(jī)制、聽覺(jué)系統(tǒng)建模、語(yǔ)音識(shí)別和處理等很多方面都有著很重要的應(yīng)用，是研究耳蝸的感音過(guò)程和機(jī)理的關(guān)鍵。這一切均依賴于人耳解剖結(jié)構(gòu)在微米級(jí)上的結(jié)構(gòu)成像。在臨床中，除可以根據(jù)中耳有限元模型提高鼓膜修補(bǔ)手術(shù)效果外，其應(yīng)用價(jià)值還包括三個(gè)方面：研究中耳生理、病理傳聲特性；輔助設(shè)計(jì)人工聽小骨等。

但軟組織的X射線吸收率很低，吸收襯度很小，無(wú)法表現(xiàn)組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此通常的CT成像不能建立人耳的三維解剖結(jié)構(gòu)。由此必須尋找新的成像方法，以解決以精細(xì)結(jié)構(gòu)和低吸收組織為特點(diǎn)的人耳結(jié)構(gòu)成像。近年來(lái)，X射線相位襯度成像方法的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，理論和技術(shù)均在不斷的更新。從成像機(jī)理看，X射線相襯成像利用弱吸收組織相位變化比吸收變化敏感得多的特點(diǎn)，反應(yīng)X射線與物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的多種效應(yīng)(散射、折射、吸收等)，將這些效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度變化，在成像裝置上形成圖像。從實(shí)驗(yàn)技術(shù)上看，獲得X射線相位信息的方法主要有干涉法[5]、衍射增強(qiáng)法[6]和同軸(inline)法[7]3種。同軸法由于裝置簡(jiǎn)單和操作方便，用于臨床備受關(guān)注。1995年前后，澳大利亞科學(xué)家Wilkins領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和法國(guó)歐洲同步輻射加速器裝置(ESRF)的科學(xué)家們分別采用微聚焦點(diǎn)光源[8,9]和同步輻射裝置[10,11]，應(yīng)用同軸方法得到了X射線相位襯度圖像。采用同步輻射裝置作為光源的相位襯度計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影術(shù)的研究Andrei V Bronnikov等也已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展[14-16]。近幾年，國(guó)內(nèi)的X射線相位襯度成像研究也取得了較好的進(jìn)展[12,13]。已有數(shù)家單位建有同步輻射裝置，其中上海光源 ( Shanghai Synchrotron Radiation facility，SSRF)[17]是一臺(tái)高性能的第三代同步輻射光源。下面介紹采用上海光源和同軸法拍攝人耳結(jié)構(gòu)的成像過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

上海光源的BL13w1（X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用）線站成像，試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

1.2 樣本的制備

取人耳的中耳部分，去除外圍的無(wú)關(guān)組織，切割研磨為大小約為1.5×1.5×3 cm的標(biāo)本，在4%的甲醛溶液(formalin)中保存，在成像半小時(shí)前取出，并用棉球吸干水分，將樣品置于透明的塑料薄膜中。成像時(shí)，沿外耳道方向水平置于樣品架上，設(shè)法固定。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將樣本在上海光源的BL13w1（X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用）線站成像。攝像系統(tǒng)分辨率約為11μm，能量約為15 KeV。CT成像時(shí)共拍攝1000余幅圖像，最后在BL13w1線站的工作站上通過(guò)重建得到350余幅斷層圖像，其中部分圖像如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 The test-bed

圖2 中耳的不同斷層Fig.2 The slices of middle ear

1.4 3D重建結(jié)果

通過(guò)Amira軟件，將斷層圖像重建為三維圖像，部分?jǐn)嗝妫ㄒ暯牵┑膱D像如圖3所示。

1.5 結(jié)果分析

結(jié)果表明，對(duì)于人耳軟組織等弱吸收或吸收差異很小的樣品，利用相位襯度X射線成像能夠得到比傳統(tǒng)的吸收襯度成像高質(zhì)量的圖像，如從圖2、3中可以分辨出鼓膜、中耳關(guān)節(jié)及其韌帶等精細(xì)結(jié)構(gòu).這對(duì)于一般用CT或MRI成像是不可能獲得的。這些結(jié)構(gòu)信息為建立中耳有限元模型提供基礎(chǔ)。中耳有限元模型的臨床應(yīng)用價(jià)值非常重要，概括起來(lái)主要包括三個(gè)方面：研究中耳生理、病理傳聲特性；提高聽力重建手術(shù)效果；輔助設(shè)計(jì)人工聽小骨。

圖3 中耳的3D重構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.3 The three-dimensional reconstructed structure of middle ear

2 結(jié)論和展望

本次在上海光源的實(shí)驗(yàn)，由于設(shè)備剛完成調(diào)試，安排的機(jī)時(shí)比較少，用于完成人耳成像的時(shí)間比較少，因此選用的X射線CCD分辨率較低，成像的范圍比較小。但結(jié)果仍然表明，對(duì)于弱吸收和吸收差異很小的生物體軟組織，或組織結(jié)構(gòu)非常精細(xì)的器官，利用相位襯度X射線成像是非常有效的方法，能夠得到比傳統(tǒng)吸收襯度成像無(wú)法得到的圖像。在以后的實(shí)驗(yàn)方案中，我們將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)中耳內(nèi)耳成像，著重對(duì)內(nèi)耳成像。為了獲得更加清晰的重建圖像,我們將采取改進(jìn)實(shí)驗(yàn)樣本，采用高分辨力的X射線CCD（上海光源有分辨率更高的X射線CCD），優(yōu)化相位重建算法等措施，加快X射線相襯成像在臨床中的應(yīng)用步伐。

致謝：

感謝中國(guó)科學(xué)院上海光源BL13w1（X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用）線站成像的工作人員，特別是肖體喬研究員和鄧彪、杜國(guó)浩博士等，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理方面給予的大力支持和幫助。

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[17] http://ssrf.sinap.ac.cn/1/jianjie.htm [OL].

The Human Ear Anatomical Structure Imaging Based on X-Ray Phase-Contrast

【 Writers 】Hongli Shi1, Jie Wang2, Shuqian Luo1
1 School of Biomedical engineering ,Capital Medical University, Beijing, 100069
2 Beijing Tongren Hospital af fi liated to Capital Medical University ,Beijing, 100730

ear anatomic structure, eardrum repair, cochlear implant, X-ray, Phase-Contrast imaging.

R318.1

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.002

1671-7104(2010)06-0396-03

2010-07-05

國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目(60532090)、國(guó)家自然科學(xué)基金(60972156)、北京市自然科學(xué)基金(4102017)。

通行作者：羅述謙，shuqian_luo@yahoo.com.cn

【 Abstract 】In this paper, the ear anatomic structure imaging is implemented based on X-Ray Phase-Contrast CT. The results of experimentation demonstrate the ef fi ciency of the proposed scheme.