肝臟組織的相位襯度成像實(shí)驗(yàn)研究

劉安娜 蘇 雅 馬紫瑤 房 蕾 彭屹峰* 肖體喬 杜國浩 何 偉

光是一種兼具波和粒子二相特性的物質(zhì)現(xiàn)象。光子密度決定光的強(qiáng)度，光波和光子的關(guān)系是光波振幅平方和光子密度成正比；頻率一致的光稱為相干光，相干光相遇即相干迭加或干涉。X射線也是一種光，當(dāng)X射線穿過物質(zhì)并與物質(zhì)發(fā)生作用后，其折射率可以寫成n=1-δ-iβ[1]，其中β為吸收項(xiàng)，δ為相位項(xiàng)，理論上在醫(yī)學(xué)診斷使用能段范圍，相位項(xiàng)比吸收項(xiàng)大1000多倍，因此在吸收襯度很難探測(cè)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，因而降低了成像的分辨率和襯度。相位襯度成像(phase contrast imaging， PCI) 則利用X射線透過樣品后攜帶的相位信息對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，克服了傳統(tǒng)成象方法的不足。適用于相襯成像技術(shù)常見的有：類同軸成像（1995年發(fā)現(xiàn)）、衍射增強(qiáng)成像 (diffraction enhanced imaging， DE；1995年發(fā)現(xiàn))、干涉法成像（1971年發(fā)現(xiàn)）以及光柵成像技術(shù)四種（2002年發(fā)現(xiàn)）[2-4]。

1.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)傳播到一定的距離，將和未發(fā)生畸變的波面重疊而發(fā)生干涉，這樣X射線通過物體后，傳播一定的距離就能將相位信息轉(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(shí)時(shí)成像的優(yōu)勢(shì)[5-7]。而且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]。

2.衍射增強(qiáng)成像（DEI）原理[9]

X射線與物質(zhì)作用后，會(huì)發(fā)生吸收、折射和散射，其中折射和散射光的出射方向會(huì)偏離入射方向，而DEI最重要的是使用分析晶體將透射、折射和散射光對(duì)成像的作用分離，并將小角散射濾除，因此可以大大提高成像的襯度和空間分辨率。

3.干涉法成像

由Momose和Takeda首先引入成像研究[10-12]。干涉法成像是發(fā)現(xiàn)軟組織內(nèi)微小折射指數(shù)差異的最為敏感的方法，但由于需要精密復(fù)雜的干涉儀，且干涉儀晶體準(zhǔn)直度和機(jī)械穩(wěn)定性要求高，加上受到晶體尺寸和成像視野的限制，其應(yīng)用受到局限[13]。

4.光柵成像

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(phase stepping)采集數(shù)據(jù)，再通過探測(cè)器(CCD)記錄莫爾條紋[14]，對(duì)不同圖像的同一像素點(diǎn)進(jìn)行正弦曲線擬合，從而獲得成像結(jié)果。光柵成像可以得到更好的成像結(jié)果和更加豐富的樣品信息，并且將會(huì)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更好的作用。

同步輻射(synchrotron radiation ，SR)是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)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，適用于進(jìn)行相干襯度成像應(yīng)用。目前國際上大多數(shù)的同步輻射裝置都有光束線開展相襯成象研究。

本實(shí)驗(yàn)旨在應(yīng)用同步輻射光源進(jìn)行大鼠肝臟的成像實(shí)驗(yàn)，通過4種不同的相位襯度成像方法對(duì)大鼠肝臟的成像比較研究，以分辨率和襯度作為主要評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，探索相位襯度技術(shù)在肝臟組織上的成像價(jià)值及在臨床應(yīng)用上的前景。

方 法

根據(jù)不同的成像方法成像光路有不同設(shè)計(jì)，其中類同軸成像光路設(shè)計(jì)最為簡單，僅須調(diào)節(jié)物像間有效距離到成像最佳位置（圖1）。而衍射增強(qiáng)成像則是在樣品后方添加一塊分析晶體（圖2），以獲得搖擺曲線（rocking curve， 衍射強(qiáng)度隨角度的變化曲線），一般選擇在峰位和側(cè)位不同位置，曝光時(shí)間5～10秒（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(shí)際值有關(guān)）。干涉法成像是在是在樣品后方置放由一整塊硅單晶分割成平行放置的三塊晶體完美晶體（圖3）。光柵成像是在樣品后方與探測(cè)器之間置放一塊自成像光柵和分析光柵（圖4）。干涉法和光柵成像均不斷調(diào)節(jié)晶體位置最后獲得較為清晰的成像效果為止。

X射線能量范圍主要分布在3～22keV，實(shí)驗(yàn)采用12keV。將4只SD大鼠處死后，取出肝臟，經(jīng)福爾馬林固定后置于樣品架上。

探測(cè)器使用X射線電荷耦合器件（charge couple device， CCD）成像系統(tǒng)采集圖像。圖像的評(píng)價(jià)（血管直徑的測(cè)量）所獲得的圖像通過實(shí)物顯微放大的方法可以測(cè)定其分辨率。

結(jié) 果

在上述4種方法獲得的圖像均可以顯示肝臟的8級(jí)分支，血管的直徑從主干到外周分支逐漸變細(xì)，測(cè)量到的最細(xì)血管直徑大約30μm，所獲得的圖像具有

圖1 類同軸成像方法，通過調(diào)節(jié)物-像之間距離獲得最佳成像效果。圖2 衍射增強(qiáng)成像（DEI），通過晶體獲得入射與折射之間的曲線關(guān)系再獲得成像。圖3 干涉法成像，通過調(diào)節(jié)晶體間關(guān)系獲得成像。圖4 光柵成像，利用利用兩塊光柵形成的角分辨能力，將樣品的折射角信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像信息。

圖5 4種不同相位技術(shù)獲得的成像結(jié)果。A.類同軸相襯像；B.光柵微分像；C.衍射增強(qiáng)折射像；D.干涉條紋像。

圖6 類同軸成像與病理結(jié)果對(duì)照及組織學(xué)示意圖對(duì)照，證實(shí)與病理結(jié)果及組織學(xué)具有一致性。

很高的襯度和空間分辨率，特別是在放大的圖像上觀察的更清晰。肝臟血管的顯示對(duì)疾病的診斷和治療都有意義，在肝癌患者中，微血管密度與患者術(shù)后生存相關(guān)。目前在臨床可以通過觀察微小血管密度（MVD）等判斷抗腫瘤新生血管治療的療效，但分辨率都不夠。

另外，通過肝臟的類同軸成像效果與病理結(jié)果對(duì)照及組織學(xué)示意圖對(duì)照，證實(shí)與組織切片具有一致性：血管、膽管明顯顯示，肝小葉結(jié)構(gòu)清晰顯示， 包括小葉間結(jié)構(gòu)及竇狀間隙血管。肝細(xì)胞在圍繞竇狀間隙中呈板狀排列。肝小葉（hepatic lobule）是肝的基本結(jié)構(gòu)單位，呈多角棱柱體，長約2mm，寬約1mm，成人肝臟有50萬～100萬個(gè)肝小葉。肝小葉中央有一條沿其長軸走行的中央靜脈（central vein），肝索和肝血竇以中央靜脈為中心向周圍呈放射狀排列。肝臟細(xì)胞直徑約15～30μm。肝小葉作為肝臟的解剖功能的基本單位，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，如肝纖維化是肝硬化和肝癌的主要原因，由于肝臟疾病導(dǎo)致肝臟小葉脈管系統(tǒng)的紊亂。小葉微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)于病變的診斷和評(píng)價(jià)特別重要。而相位襯度成像方法可望將肝小葉病理學(xué)損傷的病因及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行可視化顯示。

討 論

常規(guī)的X線成像只利用了光波在穿透物質(zhì)時(shí)其振幅的改變，而相位襯度成像則是基于利用光波的相位變化。研究表明，當(dāng)光波穿透物質(zhì)時(shí)，其相位隨密度變化的襯度比相應(yīng)吸收變化的襯度要高得多，因此，利用相位襯度信息有可能獲得更清晰的成像效果。

與常規(guī)醫(yī)用檢查比較，同步輻射在肝臟組織成像中的主要優(yōu)勢(shì)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可以進(jìn)行肝臟組織的相位襯度成像。同步輻射相位成像技術(shù)空間分辨率可得到明顯提高，可達(dá)到微米（μm）量級(jí)，可以顯示包括膽管、中央靜脈在內(nèi)的肝小葉結(jié)構(gòu)。

肝臟的基本功能和結(jié)構(gòu)單位是肝小葉，從上述圖像所顯示的大鼠肝臟切片的結(jié)構(gòu)和分辨率結(jié)構(gòu)來看，這種相位成像方法中可以清晰顯示肝臟小葉結(jié)構(gòu)，基于對(duì)功能單位的早期顯示，如有相應(yīng)尺寸光斑的光源，有望應(yīng)用于肝臟病變的早期診斷。

上述各種方法中對(duì)于微小血管的顯示都較為清晰，分辨率可達(dá)到微米量級(jí)，在乳腺癌、肝癌、胃癌的成像中都獲得較好的顯示。李瑞敏等[15]在利用同步輻射類同軸相襯技術(shù)對(duì)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(duì)比劑的情況下成功獲得微米級(jí)的乳腺腫瘤新生血管，能清晰顯示最小直徑約9μm的腫瘤血管。這個(gè)研究選取的是臨床上新鮮的乳腺癌標(biāo)本，手術(shù)取出后立即放入甲醛溶液中固定，保證了腫瘤血管內(nèi)的血液能及時(shí)固定下來而不會(huì)被其他物質(zhì)影響，從而真實(shí)反映腫瘤新生血管的狀態(tài)。這樣做其中最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)為在無對(duì)比劑情況下即可實(shí)現(xiàn)腫瘤新生血管的成像，避免使用碘對(duì)比劑帶來的各種不良反應(yīng)，為以后臨床不用對(duì)比劑即可進(jìn)行血管成像提供了一定的思路。肝細(xì)胞癌(HCC)是我國常見的惡性腫瘤，其發(fā)病率和病死率均位列惡性腫瘤第2位。HCC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，早期顯示這些微血管的改變，對(duì)HCC的早期診斷和治療都具有重要臨床意義。李蓓蕾等[16]利用同步輻射衍射增強(qiáng)成像技術(shù)（DEI）對(duì)離體人肝細(xì)胞癌(HCC)新生血管做了研究，結(jié)果在DEI成像結(jié)果中，我們可以看到腫瘤呈膨脹性生長，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(cè)得的最細(xì)血管直徑約為25μm。在搖擺曲線不同位置記錄的HCC圖像的差異顯著?？傊?，該研究通過同步輻射DEI技術(shù)進(jìn)行無對(duì)比劑條件下離體人HCC 標(biāo)本腫瘤新生血管顯像，獲得了較滿意的圖像。林慧敏等[17]通過動(dòng)物樣品的光柵X 線相襯成像法，結(jié)合常規(guī)HE 染色結(jié)果，研究光柵成像在無對(duì)比劑情況下對(duì)腫瘤及內(nèi)部新生血管微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的價(jià)值。最后在無對(duì)比劑的情況下，第三代同步輻射光柵X線相襯技術(shù)能對(duì)胃癌肺轉(zhuǎn)移灶及血管結(jié)構(gòu)進(jìn)行清晰成像，顯示血管直徑達(dá)到15～30μm，近似低倍光學(xué)顯微鏡下的圖像，說明光柵X線相襯成像對(duì)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(jià)值。