x射線相位襯度成像技術(shù)的初步應(yīng)用

x射線相位襯度成像技術(shù)的初步應(yīng)用

1當(dāng)前醫(yī)學(xué)成像的發(fā)展趨勢1.1病理組織學(xué)檢測病理診斷是臨床醫(yī)學(xué)診斷的“金標(biāo)準(zhǔn)”。病理學(xué)可分為宏觀的病理解剖學(xué)和微觀的細(xì)胞病理學(xué)兩大類。病理解剖學(xué)即尸檢,其空間分辨率為毫米數(shù)量級,是肉眼可見的分辨率范圍。病理解剖學(xué)能夠?qū)Σ∽兊牟课患按笮∵M(jìn)行定位和定量的診斷,但對病變性質(zhì)的準(zhǔn)確診斷,仍必需依賴組織切片和顯微鏡的觀察,即所謂微觀病理學(xué)亦即細(xì)胞病理學(xué),才能作出精確的定性診斷。光學(xué)顯微鏡的空間分辨率為微米數(shù)量級,能夠看見人體細(xì)胞和微細(xì)的組織結(jié)構(gòu)。但由于可見光的穿透力很差,不能看見人體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和組織,因此病理的手術(shù)或穿刺的活體檢查診斷都是有創(chuàng)的。1.2高頻超聲波影像1895年X射線的發(fā)現(xiàn)以及1971年X射線CT技術(shù)的發(fā)展使醫(yī)學(xué)活體成像技術(shù),亦即醫(yī)學(xué)影像學(xué)得到飛速發(fā)展,它是應(yīng)用穿透力很強(qiáng)的射線源,例如X射線(X射線照相及X射線CT),γ射線(PET,SPECT),強(qiáng)磁場加高頻電磁波(MRI),超聲波等透過人體內(nèi)部,與深部組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互作用,再通過計算機(jī)圖像重構(gòu)而顯示活體內(nèi)部結(jié)構(gòu)或功能的影像。但目前醫(yī)學(xué)影像學(xué)的空間分辨率只達(dá)到毫米數(shù)量級,仍是肉眼可見的分辨率范圍,例如X-CT的分辨率為0.3~0.5mm,MRI約為0.5mm,PET為5mm左右,只能對病變的部位及大小進(jìn)行定位和定量的診斷,尚不能進(jìn)行精確的病理學(xué)定性診斷,仍屬于宏觀影像學(xué)(macro-imaging)的水平。因此當(dāng)前醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展趨勢,是向微觀影像學(xué)(micro-imaging)的方向發(fā)展2限制醫(yī)學(xué)微像的技術(shù)因素2.1x射線ct襯度分辨率顯微影像學(xué)要求能看見活體細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu),就必需具備3個必要條件:a.具有能進(jìn)入人體內(nèi)部穿透力強(qiáng)的射線;b.空間分辨率達(dá)到微米數(shù)量級;c.具有良好的對軟組織的襯度(對比度)分辨率,能看見細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。其中襯度分辨率尤為重要,即使空間分辨率能達(dá)到微米數(shù)量級,如果襯度分辨率達(dá)不到要求,仍無法對活體細(xì)胞的微細(xì)結(jié)構(gòu)成像。X射線CT襯度分辨率是指成像系統(tǒng)檢測目標(biāo)相對于均勻背景的微小灰度差異的能力,襯度分辨率與檢測方法,結(jié)構(gòu)成份,X線波長以及物體的大小相關(guān)。軟組織對X射線吸收系數(shù)的差異很小,提高軟組織的襯度分辨率,就成為醫(yī)學(xué)顯微成像的關(guān)鍵問題。2.1常用藥理學(xué)圖像技術(shù)的顯微成像潛力的比較2.2.1磁共振成像2.2.2正電子中斷圖2.2.3醫(yī)學(xué)顯微影像學(xué)在人體應(yīng)用造影劑注射以提高吸收襯度,只能用于血管成像,仍然無法提高軟組織的襯度分辨率,因此目前醫(yī)學(xué)顯微影像學(xué)的發(fā)展只能寄希望于X線相襯顯微成像。3密度和吸收系數(shù)目前X線成像是依賴于物體吸收系數(shù)的差別,即依賴于吸收襯度而成像。物體對X線的吸收系數(shù)與其密度成正比。目前XCT在1~2mm的空間分辨率之下,能分辨出0.01g/cm其中δ與相位相關(guān),β與振幅相關(guān),r4相位襯度成像X線相位襯度成像不同于常規(guī)X線吸收襯度成像,相位襯度成像對X線光源有嚴(yán)格要求。物體被一束平行的單色X射線照射,其波譜寬度約為5×105同步輻射衍射檢測大鼠肺、肝、腎、dei的表達(dá)X線相襯成像需要能在臨床上可用的單色,準(zhǔn)直,高強(qiáng)度的相干光源。目前市場上尚無此類商品,為了探索相襯顯微成像的現(xiàn)實性和可行性,我們利用北京同步輻射裝置(BSRF)產(chǎn)生的同步輻射光源,對大鼠的肺、肝、腎等臟器進(jìn)行DEI成像觀察,并應(yīng)用硝酸銀注射以增強(qiáng)對比度的標(biāo)本作為對照以及作為結(jié)構(gòu)辨認(rèn)的依據(jù)。實驗結(jié)果表明:肺可見支氣管,細(xì)支氣管,肺泡管,肺泡(肺泡腔及肺泡壁)等微細(xì)結(jié)構(gòu)圖4為應(yīng)用衍射增強(qiáng)法獲得的大鼠細(xì)支氣管分支及重疊的肺泡顯微相襯成像。大鼠的肺泡直徑約為100-150μm。6顯微成像技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前醫(yī)學(xué)顯微影像學(xué)正處于突破的前夜,要解決利用顯微影像進(jìn)行活體病理診斷還有不少困難需要克服。首先是要研制出能在臨床應(yīng)用的單色、準(zhǔn)直、高強(qiáng)度的X線新型光源。應(yīng)用Thomson散射原理有可能獲得滿足臨床需要的X線相干光源。其次,目前的相位襯度成像多是臟器的X線照相成像,不同結(jié)構(gòu)的影像互相重疊,不易辨認(rèn)。解決影像重疊的方法是計算機(jī)斷層成像,即CT。因此相襯顯微CT成像應(yīng)是醫(yī)學(xué)顯微影像學(xué)的未來發(fā)展方向。但相襯成像的原理要比吸收襯度成像的原理復(fù)雜。由于相襯成像為各向異性和非線性,因此相襯CT的圖像重構(gòu)需要采用新的成像算法。預(yù)期通過不同學(xué)科的大力協(xié)作,醫(yī)學(xué)活體顯微病理診斷的目標(biāo),一定能夠?qū)崿F(xiàn)。MRI成像對軟組織有良好的襯度分辨率,其空間分辨率已達(dá)到毫米數(shù)量級。要提高其空間分辨率則需進(jìn)一步提高磁場強(qiáng)度。目前臨床上已應(yīng)用3TMRI對人體進(jìn)行成像。動物實驗已有高達(dá)14T的MRI成像技術(shù)。8T以上磁場可產(chǎn)生Mosel效應(yīng),即可將水槽中的水分成兩部分。因此,過高的磁場強(qiáng)度可對人體健康不利,限制MRI空間分辨率進(jìn)一步提高。PET是利用一些核素發(fā)射的正電子湮沒產(chǎn)生的γ射線而成像。由于正電子發(fā)射自由程的限制,故PET的空間分辨率較低,亦無法進(jìn)一步加以提高。X射線有良好的穿透能力。目前醫(yī)用高分辨率CT(HRCT)其空間分辨率已達(dá)到0.3~0.5mm。工業(yè)CT通過采用微焦點X線束及采用CCD檢測器,其空間分辨率已達(dá)到5~10μm。但XCT是通過不同結(jié)構(gòu)的吸收系數(shù)的差異亦即吸收襯度(absorbingcontrast)而成像。因軟組織主要由碳、氫、氧、氮等輕元素組成,其X線吸收襯度很差,因而X射線對軟組織