同步輻射衍射增強成像技術(shù)檢測人離體乳腺癌的實驗研究

李瑞敏，張 汐，王升平，彭衛(wèi)軍

復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院放射診斷科，復旦大學上海醫(yī)學院腫瘤學系，上海 200032

傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)是目前臨床上不可或缺的重要疾病診斷方法之一，但是傳統(tǒng)X射線成像技術(shù)對軟組織的分辨率及成像襯度均較低，而大部分腫瘤組織（如乳腺癌）屬于軟組織腫瘤，傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)對該類腫瘤的診斷有一定的難度。近年來發(fā)展起來的X射線相位襯度成像是利用X射線透過樣品后所攜帶的相位信息對樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行成像，其極高的軟組織分辨率已被用來顯示傳統(tǒng)X線無法顯示的組織如肌腱、軟骨、韌帶及神經(jīng)等［1］。目前主要的同步輻射相位襯度成像技術(shù)［2-4］有4種：干涉法（interferemetry）、衍射增強成像（diffractionenhanced imaging，DEI）、光柵相襯成像（grating-based phase-contrast X-ray imaging，GBPCI）和類同軸相襯成像（in-line phase-contrast imaging，ILPCI）；其中，DEI是利用分析晶體將X射線穿過樣品時產(chǎn)生的透射光、折射光和散射光彼此分開，從而獲得高襯度和高空間分辨率的圖像。DEI具有成像原理簡單、圖像易于解讀及實驗技術(shù)要求不高等優(yōu)點。本研究旨在利用同步輻射DEI技術(shù)對人離體乳腺癌標本進行成像，觀察乳腺癌衍射增強的圖像及腫瘤內(nèi)部信息與特征。

1 材料和方法

1.1 標本選取

選取2013年9月—2016年9月復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院乳腺外科切除的標本15例，15例標本均經(jīng)患者知情同意并滿足臨床病理診斷需要，單個標本大小為10 mm×5 mm×3 mm，標本切取后即刻放入4%甲醛溶液中進行固定并準備成像。本研究經(jīng)復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院倫理委員會批準。

1.2 同步輻射成像

1.2.1 DEI原理

DEI系統(tǒng)主要包括同步輻射光源、單色晶體、樣品臺、分析晶體和探測器組成。調(diào)節(jié)單色晶體的入射角可以獲得不同能量的單色X線，在固定單色晶體的入射角后，調(diào)節(jié)分析晶體的入射角可以得到反射強度的變化曲線即搖擺曲線。同步輻射的白光經(jīng)過單色器晶體后形成單色光，單色光透過樣品后，樣品中密度不同或結(jié)構(gòu)不同的區(qū)域會以不同的折射角折射X射線，分析晶體通常調(diào)節(jié)接收角度，可以任意選擇某一折射角度出射的折射光，從而最終獲得樣品的折射襯度像。

1.2.2 試驗裝置及成像方法

本研究在北京同步輻射裝置（Beijing synchrotron radiation facility，BSRF）的形貌站(4W1A)中進行。同步輻射X線DEI裝置見圖1。形貌站建在Wiggler白光束線上，光束線出口距發(fā)光點43 m。其光源尺寸水平方向為2.2 mm，垂直方向為0.8 mm。4WIA光束線的X射線能量范圍為3～22 KeV。物像距為0.3 m。分析晶體選擇Si(111)晶面。單色光能量為15 KeV，電子束流強度Ie為60～100 mA，曝光時間在峰位為70 ms，左右半高位均為280 ms，探測器使用X射線CCD成像系統(tǒng)(Photonic Science X-ray FDI 18 mm成像系統(tǒng)，1 300 pixels×1 030 pixels，分辨率為10.9 μm)。放置樣品后獲取搖擺曲線，然后分別在搖擺曲線的峰位和反射率為50%左右的半高寬位進行成像。

1.3 圖像處理與分析

圖1 BSRF 4W1A光束線實驗線站DEI示意圖Fig.1 Schematic DEI experimental set-up at 4W1A beamline of BSRF

攝片結(jié)束后對圖像進行后處理，應(yīng)用Matlab 2012b軟件（美國MathWorks公司）獲得表觀吸收圖像和表觀折射圖像。數(shù)據(jù)的測量使用美國國立衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）Image J軟件（version 1.37）。

1.4 病理學分析

成像結(jié)束后，所有標本經(jīng)4%甲醛溶液固定至少24 h，石蠟包埋、4 μm連續(xù)切片，進行H-E染色。

2 結(jié) 果

2.1 一般結(jié)果

15例標本均獲得了良好的衍射增強圖像，均可清晰顯示腫瘤組織與正常組織。其中，3例標本中的腫瘤組織呈膨脹性生長，12例標本中的腫瘤呈浸潤性生長；2例邊緣清楚，2例邊緣小分葉，11例邊緣毛刺狀。另有3例標本中可見鈣化灶。

2.2 搖擺曲線各部位的圖像

同一樣品在搖擺曲線不同位置獲得不同的圖像。在搖擺曲線峰位時采集的圖像叫做峰位像，是分析晶體放置在搖擺曲線的峰位，即分析晶體的接受角與單色晶體的出射角重合時形成的圖像(圖2A)，其圖像類似于常規(guī)X線成像，可清晰顯示腫塊中心的鈣化及鈣化灶下方的腫瘤血管；當分析晶體偏離搖擺曲線峰位，X射線穿過樣品時產(chǎn)生的微小折射將改變其經(jīng)過分析晶體的強度，從而產(chǎn)生折射襯度，當分析晶體調(diào)節(jié)到搖擺曲線低角端和高角端最陡峭的點即左、右半腰處時，穿過樣品后偏離的X射線反射率為0.5，可以獲得折射襯度與吸收襯度疊加的最大襯度圖像(圖2B)，半高寬位圖像襯度比較好，立體感較強，呈浮雕樣改變。將邊緣效應(yīng)相反的左、右半腰圖像疊加在一起，獲得含有吸收和消光信息的表觀吸收圖像(圖2C)，從表觀吸收圖像中亦可清晰地看到鈣化及鈣化下方的血管分布，但整個圖像的分辨率不如峰位像高，層次感也不如半高寬位圖像。將左、右半腰圖像相減，獲得只含有折射信息的折射圖像(圖2D)，本研究所得的折射圖像邊緣略模糊，浮雕感亦低于半高寬位圖像，但圖像的空間分辨率及稱度分辨率仍高于常規(guī)X線檢查。

圖2 DEI圖像Fig2 The images of DEI

2.3 腫瘤內(nèi)部信息的顯示

DEI可以顯示腫瘤內(nèi)部不均質(zhì)的細節(jié)，衍射增強峰位圖及半高寬位圖顯示出腫瘤所在區(qū)域呈蜂窩狀改變，形態(tài)不規(guī)則，峰位圖表現(xiàn)為局部融合成團的透亮影（圖3A），半高寬位圖顯示局部呈浮雕樣改變（圖3B）。對照H-E染色（圖3C），證實為融聚成團的癌巢組織，衍射增強圖像與病理切片圖有著較高的一致性。

2.4 病理學分析

H-E染色可見正常組織與癌組織分界清楚，癌巢呈集群樣分布（圖3C），部分癌巢中可見囊性變壞死，部分伴鈣鹽沉積，間質(zhì)中見腫瘤細胞浸潤及新生血管形成。

圖3 浸潤性乳腺癌 Ⅲ級Fig3 Invasive breast cancer grade Ⅲ

3 討 論

乳腺癌已成為近年來女性常見的惡性腫瘤之一，嚴重威脅著女性的健康和生命。目前世界上公認有效的乳腺癌篩查方法是乳腺X線攝影，但是乳腺X線攝影也存在著不足：乳腺X線攝影主要利用X線穿過腺體后不同組織的吸收差異進行成像，而乳腺組織主要由軟組織構(gòu)成，各成分之間的密度差異不大，導致拍攝圖像對比度不高。DEI是利用X射線在不同組織折射率的差異進行成像，與X射線的吸收無關(guān)［5-6］，可以將傳統(tǒng)X射線吸收成像無法顯示的弱吸收組織的分辨率大大提高，因此，探討DEI技術(shù)用于人離體乳腺癌的成像具有重要意義。

本研究中的15例標本均獲得了DEI的峰位像、半高寬位像、表觀吸收圖像及折射圖像，但這4種圖像包含的信息不同，表現(xiàn)形式也不一樣：峰位像的成像結(jié)果類似于常規(guī)X線成像，但在傳統(tǒng)X線吸收成像中，小角散射是無法從投射光中分離出來的，即常規(guī)吸收像中沒有消光襯度［7-8］，而DEI中的峰位像由于使用了單色光源并且通過分析晶體濾除了小角散射的X射線，由此產(chǎn)生了增強的消光襯度，因此峰位像的襯度較常規(guī)X線吸收成像大很多，可以顯示很多常規(guī)成像無法顯示的信息，另外峰位圖的圖像清晰度好，能直接顯示病變的輪廓、鈣化的形態(tài)及微細血管的走行等結(jié)構(gòu)。表觀吸收圖像是將邊緣效應(yīng)相反的左、右半腰圖像疊加在一起獲得的含有吸收信息和消光信息的圖像［8］，其圖像清晰度亦較好，但層次感不夠，并且由于表觀吸收圖像對不同物質(zhì)折射率的分辨能力不如峰位圖，因此表觀吸收圖像的邊界信息也沒有峰位圖的邊界豐富。半高寬位圖像與折射圖像［9］與臨床常見的影像學圖像所表達信息的方式不太一樣，兩者圖像的襯度比較好，浮雕感比較明顯，圖像的立體感亦較強，不同組織之間的邊界效應(yīng)也更加明顯，使生物組織的微觀結(jié)構(gòu)和特征更加突出，但本研究顯示，乳腺癌標本的半高寬位圖像襯度優(yōu)于折射圖像，這與以往的研究不同，Hang等［10］和張汐等［10-11］的研究顯示，肝癌標本的折射圖像襯度最高，劉成林等［12］的研究顯示，不同軟組織折射圖像的折射襯度不完全相同，但該研究并未涉及到人的乳腺癌標本，因此乳腺癌與肝癌或其他軟組織的襯度差異，可能與病變本身組織成分的不同有關(guān)，亦可能與標本在空氣中曝光時間的長短有關(guān)，兩者的鑒別有待進一步的研究。

DEI在顯示腫瘤內(nèi)部細節(jié)方面顯示出了極大的優(yōu)越性，本研究中衍射增強圖像可以顯示出腫瘤癌巢的結(jié)節(jié)樣結(jié)構(gòu)，與病理切片圖有著較高的一致性，這為將來進一步探討不同病理類型、不同分子分型間的腫瘤影像學表現(xiàn)與病理學相關(guān)性的研究奠定了基礎(chǔ)。

綜上所述，DEI具有較高的襯度分辨率和空間分辨率，而且同步輻射技術(shù)獨特的成像原理可以有效地解決目前影像技術(shù)輻射劑量較大的問題，可以極大地拓展傳統(tǒng)放射醫(yī)學的應(yīng)用范圍。

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