張建發(fā)，陳秀君，李雯靖，黃鐘杰，鐘朝森，周光照，林順發(fā)>

(1.汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院放射科，廣東 汕頭 515041；2.中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204)

自1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X線以來，X線成像技術(shù)飛速發(fā)展，但面臨著輻射劑量增加和襯度分辨率低等問題。傳統(tǒng)X線檢查通過組織間不同吸收系數(shù)而成像，軟組織分辨率低，無法顯示肌腱、韌帶、軟骨、血管、神經(jīng)及與周圍組織密度差別不大的軟組織腫瘤。同步輻射相襯成像是一種新的成像理論和技術(shù)，可將X線折射效應(yīng)引入空間相位偏移分布，利用不同組織折射系數(shù)的差異進(jìn)行成像，主要應(yīng)用相差襯托信息(當(dāng)X線穿透樣品后X線強(qiáng)度會(huì)重新分配)并依靠X線通過樣品的折射效應(yīng)。目前同步輻射相襯成像已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)[1-3]等。本實(shí)驗(yàn)利用上海光源的BL13W1線站對離體人賁門、食管、食管癌及腦血管標(biāo)本進(jìn)行同步輻射相襯CT成像，觀察以成像模式顯示軟組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的可行性。

1 材料與方法

1.1 樣品制備 收集5例食管癌患者手術(shù)切除標(biāo)本和2具尸體標(biāo)本的大腦中動(dòng)脈，以生理鹽水反復(fù)沖洗，清除手術(shù)切除標(biāo)本表面黏液及出血，并盡量沖洗大腦中動(dòng)脈腔內(nèi)淤血，以10%福爾馬林固定1天后，于3個(gè)食管癌手術(shù)切除標(biāo)本中遠(yuǎn)離腫瘤的賁門區(qū)縱向完整提取3塊細(xì)長賁門組織，約10 mm×4 mm×3 mm，包括黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層；于另外2個(gè)食管癌手術(shù)切除標(biāo)本中分別提取食管癌組織及正常食管2塊，大小同上，其中食管癌組織包括腫瘤組織、交界區(qū)及肉眼觀正

常食管壁，正常食管包括黏膜層、黏膜下層、肌層和漿膜層；于尸體標(biāo)本大腦中動(dòng)脈提取長約10 mm的血管組織。將以上樣本以10%福爾馬林固定2天，自然干燥后置于塑料管內(nèi)以備同步輻射相襯CT成像。

1.2 同步輻射相襯CT成像及圖像重建 于上海光源BL13W1線站實(shí)驗(yàn)站對上述樣本行同步輻射相襯CT成像。在CT數(shù)據(jù)采集過程中，令樣本圍繞圓柱軸行180°旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)180°獲得900幀投影，每幀投影曝光時(shí)間約1 s(圖1)。采用X-TRACT和Amira軟件分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行二維及三維重建。

圖1 同步輻射相襯CT示意圖

1.3 病理學(xué)檢查 成像后的樣本經(jīng)脫水、石蠟包埋后，以4m厚切片，經(jīng)HE染色后采用光學(xué)顯微鏡觀察，并與同步輻射相襯CT圖像進(jìn)行對比。

2 結(jié)果

2.1 離體正常賁門及食管同步輻射相襯CT成像 可清晰顯示離體正常賁門壁(圖2)及食管壁(圖3)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，包括黏膜層、黏膜下層及肌層。黏膜層和肌層之間被疏松且呈“蜂窩狀”的黏膜下層分開，黏膜層表面光整。肌層內(nèi)可見多條管狀低密度影。

圖2 離體正常賁門壁同步輻射相襯CT圖像及病理圖 CT軸位(A)及三維重建(B、C)圖像可清晰顯示賁門壁三層結(jié)構(gòu)(黏膜層、黏膜下層、肌層)，箭示裂隙，黏膜層及肌層完整，三層結(jié)構(gòu)間邊界清晰，與病理圖(HE，×40)所示相對應(yīng)(D)

2.2 離體食管癌標(biāo)本同步輻射相襯CT成像 可清晰顯示食管癌浸潤食管壁，表現(xiàn)為腫瘤破壞黏膜層，僅見少許黏膜殘留，黏膜下層完全被腫瘤組織浸潤至破壞消失，腫瘤組織與正常食管壁間界限不清，食管壁形態(tài)不規(guī)則，黏膜面凹凸不平(圖4)。肌層內(nèi)亦可見多條管狀低密度影。

2.3 離體血管同步輻射相襯CT成像 可清晰顯示正常血管壁及腔內(nèi)淤血，血管壁均勻、光整，邊緣清晰；三維重建圖像可顯示血管壁表面結(jié)構(gòu)(圖5)。

3 討論

同步輻射相襯成像主要應(yīng)用相差襯托信息并依靠X線通過樣品的折射效應(yīng)。由折射率公式[n=1-δ+iβ(其中δ=reρeλ2/2π，β=μλ/4π，n為折射率，re為經(jīng)典電子半徑，ρe為材料中電子的平均密度，λ為波長，μ為X射線的線吸收系數(shù)[4]，i為虛數(shù))]可知，δ與相位有關(guān)，β與吸收系數(shù)μ有關(guān)[5]。如對于物質(zhì)C2H4，25 keV的X線相位相關(guān)指標(biāo)δ值為3.5×10-7，而吸收相關(guān)指標(biāo)β為8.1×10-11，δ比β大3個(gè)數(shù)量級(jí)，且相襯可達(dá)0.000 3 g/cm3，因此，理論上同步輻射相襯成像對碳、氫、氧、氮等物質(zhì)構(gòu)成的軟組織的分辨率比常規(guī)X吸收成像高1 000倍左右[6]。近年來同步輻射相襯成像發(fā)展迅速，并已有多種技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)，包括X線干涉法、衍射增強(qiáng)成像、類同軸法及光柵成像[7]，并應(yīng)用于多種軟組織成像。Miao等[8]利用同步輻射相襯CT觀察小鼠腦結(jié)構(gòu)，包括皮質(zhì)、腦室、基底節(jié)、丘腦及小腦，可顯示腦組織缺血損傷后直徑約7.4 μm的微小血管改變。Takeda等[9]采用同步輻射相襯CT(類同軸法)對Wistar大鼠肝血管進(jìn)行成像，發(fā)現(xiàn)在不使用對比劑的前提下可清晰顯示直徑約0.03 mm的微小血管。Montgomery等[10]發(fā)現(xiàn)，同步輻射相襯CT可顯示犬前列腺尿道移行細(xì)胞癌壞死區(qū)、炎性區(qū)域及病變組織與其正常組織的邊界。Momose等[11]利用X線干涉儀獲得了清晰的小鼠肝血管樹圖像。Grandl等[12]利用光柵成像及Talbot圖像干涉儀進(jìn)行乳腺癌體外成像，可清晰顯示微小結(jié)節(jié)及細(xì)微鈣化灶。Leong等[5]以類同軸法進(jìn)行小鼠肺泡成像。Tao等[4]利用同步輻射相襯CT成像顯示裸鼠胃癌。相位襯度成像主要依賴X線的折射作用，與X線的吸收無關(guān)，故可使用更高能量的X線進(jìn)行成像，被樣本吸收的輻射劑量更少，可明顯減少對生物組織的輻射損傷；其設(shè)備裝置簡單，只需1個(gè)雙晶單色儀、樣品臺(tái)和1個(gè)探測器。

圖4 離體食管癌標(biāo)本同步輻射相襯CT圖像及病理圖 A.軸位圖像顯示黏膜下層消失，腫瘤組織與食管壁間邊界不清； B、C.三維重建圖像顯示食管形態(tài)不規(guī)則，黏膜面凹凸不平(B)，肌層表面尚光整(C)； D.病理圖(HE，×40)

圖5 離體腦血管同步輻射相襯CT圖像及病理圖 A.軸位圖像顯示血管壁及腔內(nèi)淤血； B、C.三維重建圖像顯示血管壁、血管腔、腔內(nèi)淤血(B)和血管壁表面結(jié)構(gòu)(C)； D.病理圖(HE，×40)

本研究所用光源為1臺(tái)8個(gè)周期的混合型扭擺器光源，周期長度14 cm，能量覆蓋范圍8.0～72.5 keV，磁隙調(diào)節(jié)范圍為17～35 mm。將1臺(tái)固定出射光斑的液氮冷卻單色器放置在距離光源28 m處，單色器晶體由1套Si(111)晶體和1塊Si(311)晶體組成。高精度樣品臺(tái)可沿x、y、z軸(3個(gè)方向)進(jìn)行平移及繞軸旋轉(zhuǎn)，平移精度1 μm。光束線的光斑接收角為1.5×0.2 mrad2。X線能量優(yōu)化在15 keV。高準(zhǔn)直單色光投射至樣品，通過樣品的X線束產(chǎn)生吸收及位移信息，X線束傳播9 cm后，通過涅菲爾衍射變換，位移信息被轉(zhuǎn)換位可測量的信號(hào)強(qiáng)度。采用CCD照相機(jī)(像素2 048×2 048，分辨力3.7 μm3.7 μm)將探測的信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像。成像過程中需要注意以下各項(xiàng)：①根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇合適的IL-XPCT成像距離，使相位襯度像最佳；②嚴(yán)格校正樣品旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)軸與CCD照相機(jī)探測平面的相對位置，使兩者盡量平行，以盡量減小CT重構(gòu)偽影；③采集IL-XPCT投影數(shù)據(jù)，同時(shí)采集白場像和暗場像(分別為光束線站有光但樣品不在光路中和光束線站無光時(shí)探測器采集的圖像)；④圖像處理和CT重構(gòu)，采用X-TRACT對IL-XPCT投影數(shù)據(jù)進(jìn)行相位恢復(fù)及數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得二維圖像，利用Amira進(jìn)行圖像三維重建，并對各個(gè)投影數(shù)據(jù)的背景噪聲、樣品旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸軸心位置、環(huán)形偽影等進(jìn)行校正。

目前胃腸道主要成像方法為CT、MR及內(nèi)鏡等，診斷血管病變則主要有CTA、MRA及DSA等手段，但其空間分辨力多為毫米級(jí)，不能滿足臨床精確觀察分析組織結(jié)構(gòu)的需求。相位襯度成像在生物軟組織成像方面效果良好，分辨力能達(dá)到微米級(jí)水平。本實(shí)驗(yàn)中，同步輻射相襯CT成像清晰顯示離體正常賁門壁及食管壁的3層結(jié)構(gòu)，尤其是疏松的黏膜下層表現(xiàn)為“蜂窩狀”，可與黏膜層及肌層截然分開；離體正常食管及食管癌標(biāo)本肌層內(nèi)均可見多條管狀低密度影，可能是在樣本的固定和自然干燥過程中纖維收縮所導(dǎo)致的裂隙；顯示食管癌浸潤食管壁的情況，即黏膜下層消失，腫瘤組織與食管壁分界不清，食管形態(tài)不規(guī)則，黏膜面凹凸不平；在不使用對比劑的前提下，同步輻射相襯CT可清晰顯示離體血管壁及血管腔內(nèi)結(jié)構(gòu)，三維重建圖像還可顯示血管壁表面結(jié)構(gòu)。

本研究為實(shí)驗(yàn)性研究，所用樣本經(jīng)固定和自然干燥，導(dǎo)致水份丟失，與在體組織不同。目前同步輻射相襯CT成像尚不能用于臨床，但本研究結(jié)果提示， 此項(xiàng)技術(shù)或可為影像學(xué)診斷生物軟組織疾病提供新的研究方向。另外，同步輻射相襯CT成像視野小，不適用于大樣本，但有學(xué)者[13]指出，可使用Talbot圖像干涉儀，結(jié)合常規(guī)X線球管成像，以獲得更大的成像視野。

(致謝：感謝中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所、上海光源提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備及技術(shù)支持。)

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《中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)》投稿要求(一)

1總體要求文稿應(yīng)具有科學(xué)性、先進(jìn)性、創(chuàng)新性和可讀性，力求重點(diǎn)突出，論點(diǎn)明確，資料詳實(shí)，數(shù)據(jù)可靠，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，寫作規(guī)范，表達(dá)準(zhǔn)確，文字精煉。文稿撰寫應(yīng)遵照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7713科學(xué)技術(shù)報(bào)告、學(xué)位論文和學(xué)術(shù)論文的編寫格式，GB 6447文摘編寫規(guī)則，GB 7714文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則；專家述評4 000字左右，研究論著、綜述類論文5 000字左右，經(jīng)驗(yàn)交流一般不超過2 500字，個(gè)案報(bào)道不超過1 000字。

2題目力求高度概括、言簡意賅且能反映論文的主題，文題字?jǐn)?shù)一般不超過20個(gè)漢字，盡量不設(shè)副標(biāo)題，題目中盡量不使用阿拉伯?dāng)?shù)字開頭。

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4單位在作者的下一行寫出單位的全稱(具體到科室)、省市和郵政編碼。署名作者分別在多個(gè)單位者，應(yīng)分別寫出各單位的全稱(具體到科室)，并用阿位伯?dāng)?shù)字在對應(yīng)的署名作者右上角標(biāo)注。

5英文題目應(yīng)簡明扼要，便于檢索，與中文題名內(nèi)容上應(yīng)一致，以不超過10個(gè)實(shí)詞為宜。除已得到整個(gè)科技界或本行業(yè)科技人員公認(rèn)的縮略詞語外，不宜使用縮略詞語。

6英文作者用漢語拼音拼寫，姓前名后，姓氏全部大寫，名首字母大寫，雙名首字母大寫。例如：王小五，寫為：WANG Xiaowu。依據(jù)《中國人名漢語拼音字母拼寫規(guī)則》(國家標(biāo)準(zhǔn)編號(hào):GB/28039-2011)，姓氏“呂”的漢語拼音應(yīng)為“LYU”。

7英文單位應(yīng)與中文單位對應(yīng)，按查閱本單位官方網(wǎng)站或咨詢相關(guān)職能部門，規(guī)范英文單位名稱。