肝臟同步輻射相位襯度成像的實驗研究

劉安娜 ，蘇 雅，馬紫瑤，彭屹峰，肖體喬，杜國浩，何 偉

（1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬普陀醫(yī)院放射科，上海 200062；2.中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 200129；3.中國科學(xué)院北京高能物理研究所同步輻射實驗室，北京 100049）

X射線是一種光，當(dāng)X射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)發(fā)生作用后，其折射率可寫成n=1-δ-iβ［1］，其中β 為吸收項，δ 為相位項，理論上在醫(yī)學(xué)診斷使用能段范圍，相位項比吸收項大1 000多倍，因此在吸收襯度很難探測的情況下仍有可能觀察到相位的襯度。傳統(tǒng)X射線成像混有折射和散射信息，因而降低了成像分辨力和襯度，而相位襯度成像利用X射線透過樣品后攜帶的相位信息對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，克服了傳統(tǒng)成像方法的不足。常見的相位襯度成像技術(shù)有：類同軸成像（1995年發(fā)現(xiàn)）、衍射增強(qiáng)成像（diffraction enhanced imaging，DEI，1995年發(fā)現(xiàn)）、干涉法成像（1971年發(fā)現(xiàn)）及光柵成像技術(shù)4種（2002年發(fā)現(xiàn)）［2-4］。同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動時沿軌道切線方向發(fā)出的電磁輻射。由于同步輻射光的相干特性，其適于在相干襯度成像中應(yīng)用。目前國際上大多數(shù)的同步輻射裝置都有光束線能夠開展相位襯度成像研究。本實驗應(yīng)用同步輻射光源對大鼠肝臟行相位襯度成像實驗，以分辨率和襯度作為主要評估標(biāo)準(zhǔn)，對4種不同相位襯度成像方法進(jìn)行比較，探討相位襯度成像技術(shù)在肝臟組織上的成像價值及臨床應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 材料 選擇4只8個月大小的SD大鼠，處死后取出肝臟，經(jīng)35%～40%甲醛水溶液固定24 h后，取出干燥后置于樣品架上，固定前同時行病理學(xué)常規(guī)HE染色。動物來源于上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬普陀醫(yī)院，動物使用許可證號SYXK（滬2013-0055）。動物實驗得到上海中醫(yī)藥大學(xué)動物倫理委員會的批準(zhǔn)。

1.2 成像方法 4種成像方法成像光路設(shè)計不同。類同軸成像光路通過X射線經(jīng)樣品后直接成像。衍射增強(qiáng)成像則是在樣品后方添加一塊分析晶體，獲得搖擺曲線（衍射強(qiáng)度隨角度的變化曲線）后，選擇在峰位和側(cè)位不同位置，曝光時間5～10 s（以總曝光量達(dá)到飽和曝光量的75%為宜，與掃描位置、光束能量的實際值有關(guān)）。干涉法成像是在樣品后方放置3塊平行的由一整塊硅單晶分割成的晶體。光柵成像是在樣品后方與探測器之間放置一塊自成像光柵和分析光柵。X射線能量范圍主要分布在3～22 keV，實驗采用12 keV。

探測器使用X射線CCD（charge couple device，電荷耦合器件）成像系統(tǒng)采集圖像。

1.3 圖像評價 所獲得的圖像一方面與病理切片進(jìn)行對照；另一方面通過實物顯微放大的方法測定其分辨率，即最細(xì)血管直徑的平均值。使用NIH Image J program（version 1.37；National Institutes of Health，USA），血管顯示級數(shù)判斷：將主干血管作為初級，出現(xiàn)一次分支后升級成為2級，依次類推。

2 結(jié)果

4種相位襯度成像均可顯示肝臟的8級分支血管，血管直徑從主干到外周分支逐漸變細(xì)（圖1），經(jīng)顯微放大法測量最細(xì)血管直徑約30 μm。每種技術(shù)獲得的圖像具有不同特征：類同軸成像（圖1a），利用同步光源的相干性和高亮度等特性直接成像，其圖像分辨率較高但平面感偏強(qiáng)；光柵成像（圖1b）利用2塊光柵形成的角分辨能力來讀取樣品的折射角信號，造成豎直血管兩側(cè)的明暗變化，使血管凹陷下去，形成強(qiáng)烈的印痕效果；衍射增強(qiáng)成像（圖1c），通過折射襯度成像，可觀察到血管周圍很強(qiáng)的邊緣增強(qiáng)效應(yīng)，由于增強(qiáng)的襯度使得圖像有凸凹立體感、浮雕感；干涉法成像（圖1d）通過干涉條紋把相位信號轉(zhuǎn)變成可探測的強(qiáng)度信號，導(dǎo)致血管結(jié)構(gòu)與周圍肝臟組織之間的灰白差異。

通過肝臟的類同軸成像效果（圖2a）與病理結(jié)果（圖2b）及組織學(xué)示意圖（圖2c）對照，證實與組織切片具有較好的匹配性：血管、膽管明顯顯示，肝小葉結(jié)構(gòu)（包括小葉間結(jié)構(gòu)及竇狀間隙血管）清晰顯示；肝細(xì)胞在圍繞竇狀間隙中呈板狀排列。

圖1 分別為大鼠肝臟的類同軸相襯像（圖1a）、光柵微分像（圖1b）、衍射增強(qiáng)折射像（圖1c）和干涉條紋像（圖1d），均可清晰顯示肝臟內(nèi)血管結(jié)構(gòu)主干及直至肝臟邊緣的分支圖2 類同軸成像（圖2a）顯示肝臟組織與病理示意圖（HE 4×10，圖2b，）及解剖線狀示意圖（圖2c）對照，肝小葉結(jié)構(gòu)中的中央靜脈及周圍呈放射狀分布的肝竇結(jié)構(gòu)均清晰顯示且具有較好的匹配性

3 討論

從微觀上講，常規(guī)的X線成像僅利用光波在穿透物質(zhì)時其振幅的改變，而相位襯度成像則是基于光波的相位變化，當(dāng)光波穿透物質(zhì)時，其相位隨密度變化的襯度比相應(yīng)的吸收變化的襯度高得多。因此，利用相位襯度信息有可能獲得更清晰的成像效果。

類同軸成像方法主要原理是：在類同軸成像中，均勻的相干光波通過界面非均勻的物體，光的強(qiáng)度不發(fā)生變化而波前將發(fā)生畸變，繼續(xù)傳播到一定距離，和未發(fā)生畸變的波面重疊而發(fā)生干涉，X射線通過物體后，傳播一定的距離即能將相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，即菲涅耳衍射成像——相位二階導(dǎo)數(shù)襯度成像，因此可見相位變化。類同軸方法具有大視野、高通量和實時成像的優(yōu)勢［5-7］，獲得的圖像和目前的臨床的X線圖像相似，因此容易解釋［8］。衍射增強(qiáng)成像原理［9］：X射線與物質(zhì)作用后，會發(fā)生吸收、折射和散射，其中折射和散射光的出射方向會偏離入射方向，而衍射增強(qiáng)成像最重要的是使用分析晶體將透射、折射和散射光對成像的作用分離，并將小角散射濾除，因此可大大提高成像的襯度和空間分辨力。干涉法成像由MOMOSE等［10-12］首先引入成像研究。干涉法是發(fā)現(xiàn)軟組織內(nèi)微小折射指數(shù)差異的最敏感的方法，但需精密復(fù)雜的干涉儀，且對干涉儀晶體準(zhǔn)直度和機(jī)械穩(wěn)定性要求高，加上受晶體尺寸和成像視野的限制，其應(yīng)用亦受到限制［11，13］。光柵成像是利用光柵干涉儀將由樣品引起的入射波前畸變信息轉(zhuǎn)化為莫爾條紋的畸變，應(yīng)用相階方法采集數(shù)據(jù)再通過探測器（CCD）記錄莫爾條紋［14］，對不同圖像的同一像素點進(jìn)行正弦曲線擬合，從而獲得成像結(jié)果。其可得到更好的成像結(jié)果和更加豐富的樣品信息，將會在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用。上述各種方法對于微小血管的顯示均較清晰，分辨率可達(dá)微米量級。

與常規(guī)醫(yī)用檢查設(shè)備相比，同步輻射在肝臟組織成像中的主要優(yōu)勢為可在寬能范圍內(nèi)發(fā)出極高通量的單色準(zhǔn)直X射線束。理論依據(jù)包括：同步輻射X線的高亮度特性。同步輻射的相干性特性使其可行肝臟組織的相位襯度成像。同步輻射相位襯度成像技術(shù)空間分辨率可得到明顯提高達(dá)到微米量級，能夠顯示包括膽管、中央靜脈在內(nèi)的肝小葉結(jié)構(gòu)。

肝小葉是肝的基本結(jié)構(gòu)單位，呈多角棱柱體，長約2 mm，寬約1 mm，成人肝臟有50萬～100萬個肝小葉。肝小葉中央有一條沿其長軸走行的中央靜脈，肝索和肝血竇以中央靜脈為中心向周圍呈放射狀排列。幾乎所有的肝臟疾病都能引起肝臟微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變，因此小葉微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化對于病變的診斷和評價特別重要。肝細(xì)胞癌是典型的多血管惡性腫瘤，腫瘤細(xì)胞的無節(jié)制性生長和遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移都是建立在腫瘤新生血管形成的基礎(chǔ)上的。因此，早期顯示微血管的改變，對其早期診斷和治療均具有重要臨床意義。李蓓蕾等［15］利用同步輻射衍射增強(qiáng)成像技術(shù)對離體人肝細(xì)胞癌新生血管進(jìn)行研究，結(jié)果表明該技術(shù)能夠獲得較滿意圖像，可顯示腫瘤呈膨脹性生長、邊界清晰，腫瘤邊緣或周圍可見較粗大的血管受壓呈弧形移位；瘤內(nèi)微小血管較豐富，分布雜亂無章，形態(tài)無規(guī)則，測得的最細(xì)血管直徑約25 μm；在搖擺曲線不同位置記錄的肝細(xì)胞癌圖像的差異顯著。林慧敏等［16］通過光柵X線相襯成像法對動物樣品進(jìn)行成像，結(jié)果顯示在無對比劑情況下，第3代同步輻射光柵X線相襯技術(shù)能對胃癌肺轉(zhuǎn)移灶及血管結(jié)構(gòu)清晰成像，顯示血管直徑達(dá)15～30 μm，接近低倍光學(xué)顯微鏡下的圖像，說明光柵X線相位襯度成像對顯示裸鼠胃癌肺轉(zhuǎn)移灶中的新生血管具有較高應(yīng)用價值。

本研究的不足：本研究未使用對比劑，無法根據(jù)增強(qiáng)掃描不同時相判斷是肝臟動脈、靜脈還是門靜脈［17］。今后應(yīng)根據(jù)肝動脈、靜脈及門靜脈血液內(nèi)成分含量的差異導(dǎo)致的折射率或熒光效進(jìn)行區(qū)分。盡管目前無法區(qū)分血管的類別，但也不能否認(rèn)血管的顯示對乳腺癌、肝癌、胃癌的成像研究結(jié)果均有幫助。李瑞敏等［18］在利用同步輻射類同軸相襯技術(shù)對人乳腺癌標(biāo)本進(jìn)行成像，觀察乳腺癌腫瘤新生血管的形態(tài)和分布；在不應(yīng)用對比劑的情況下成功獲得微米量級的乳腺腫瘤新生血管，并能清晰顯示最小直徑約9 μm的腫瘤血管；本研究選取新鮮的乳腺癌標(biāo)本，手術(shù)取出后立即放入35%～40%甲醛水溶液中固定，保證了腫瘤血管內(nèi)的血液能及時固定而不被其他物質(zhì)影響，從而真實反映腫瘤新生血管的狀態(tài)，在無對比劑情況下即可實現(xiàn)腫瘤新生血管的成像，避免使用碘對比劑帶來的不良反應(yīng)，為不用對比劑行血管成像提供了一定思路。

綜上所述，相位襯度成像具有較高的組織襯度及較好的圖像分辨力，能夠顯示包括肝小葉在內(nèi)的微小結(jié)構(gòu)或多級血管分支結(jié)構(gòu)，有助于觀察肝臟腫瘤生長過程中新生血管的形態(tài)、分布，以及肝臟組織細(xì)胞微觀層面的研究，有望在肝臟的生理、病理及病變機(jī)制的可視化研究上發(fā)揮重要作用。