小鼠肝脏样本在不同状态下的相位衬度成像及三维重建

张璐，李冬月，石宏理，罗述谦

首都医科大学生物医学工程学院，北京，100069

自1895年伦琴发现X射线以来，这种成像技术在医学领域得到了广泛的应用。但这种成像方法仍然受到一些限制，例如对软组织成像分辨率较差，有时还必须借助造影剂。近年来发展起来的基于同步辐射的相位衬度成像，有望解决这一问题[1]。相位衬度成像利用射线穿过物体过程中的相位信息改变，观察物体的内部细节。它最大的特点是对吸收射线弱的组织成像效果好，衬度高，与传统基于吸收的X射线成像相比，分辨率可提高近1000倍之多[2]。90年代中期以后，国际上陆续开始了相位衬度成像的实验。国内外的科学家利用相位衬度成像，成功地实现了各种射线吸收弱组织的可视化，如肌肉、软骨、韧带和神经等[3,4]。在不使用造影剂的情况下，这种技术可以分辨直径十几微米的血管。在射线高能段，物体对X 射线的吸收剂量较低，由于相位衬度依赖于X 射线的相干散射，而不是吸收，因此可以在较高能段成像，这就降低了射线对组织的潜在损伤[5]。

当前国际上使用最多的相位衬度成像方法有四种：X射线干涉仪法、衍射增强法、类同轴法和近些年发展起来的光栅相位成像。其中类同轴成像法是基于菲涅耳衍射的原理，利用空间相干X射线束在位相突变处的边界发生菲涅尔衍射，最早由欧洲同步辐射装置（ESRF）的Snigirev科研小组和澳大利亚的Wilkins小组获得[6-7]样品的轮廓像，而后即被广泛应用。相比于已有的几种成像方法，类同轴方法使用的成像设备简单，因此有可能用于临床。

肝脏是一个实质性器官，只有通过影像学手段，才能观察到其内部的结构。作为人体体积最大、生理功能最重要的器官之一，肝脏具有极其复杂的管道系统。肝静脉系、门静脉系及肝后段下腔静脉的解剖结构交错重叠，给外科手术和血管介入带来很多困难[8]。使用相位衬度成像这种高分辨而又无创的成像方式来观察肝脏结构，具有重要的临床意义。

1 材料与方法

1.1 样品的制备

采用正常清洁级KM小鼠（由首都医科大学动物实验部提供）。经4%水合氯醛麻醉后，开腹取出肝脏，立即放于福尔马林溶液中固定。成像样本为4 mm*6 mm*3 mm大小的一块肝组织。

1.2 类同轴实验装置及成像方法

类同轴成像实验是在上海光源X射线成像及生物医学应用光束站线BL13W1上完成的（图1），其光子的能量范围为8～72.5 kev。成像设备示意图如图2所示，同步辐射光线照射单色晶体，被单色化后，与样品作用，在各组织面发生菲涅耳衍射，出射光线携带着样品的相位信息被探测器接收，通过调节探测器与样品台的距离得到清晰的相位衬度图像。本实验射线能量调节在16 kev，样品台与探测器之间的距离为1.2 m。探测器使用分辨率为13 mm的CCD摄像头。所有图像的曝光时间均为6 ms。CT扫描时，样本在转台上以1.5o/s的速度旋转180°。

图1 BL13W1实验装置Fig.1 Photograph of the BL13W1 imaging system

图2 实验装置示意图Fig.2 The schematic of experiment setup

2 结果

2.1 不同状态小鼠肝脏成像

图3分别为同一肝脏样本浸泡在福尔马林溶液中、从溶液中取出湿润状态时以及干燥时所获得的相位衬度图像。3幅图像都经过除背景的处理，以去掉背景噪声。方法是拍摄样品图像后，马上拍摄背景图像，然后将两幅图像相除，图像中的背景就被去掉了。在图3（a）中，基本看不到肝脏的任何结构。图3（b）为从福尔马林中取出拍摄的湿润样本的图像，这时肝脏血管的结构基本清晰了。图3(c）为干燥20分钟后拍摄的样本图像，从图中可以直观地看出干燥后的血管成像更清晰，并且血管更丰富。图3（d）是图3（c）中矩形框部分的放大图，箭头所指的细小血管在图3（b）中没有显示出来。

图3 小鼠肝脏相位衬度图像(a) 样品置于福尔马林溶液中成像； (b) 样品湿润状态时成像；(c) 样品干燥状态成像； (d) 图(c)中矩形框的放大像Fig.3 Phase contrast images of mouse liver(a) Phase contrast image of sample in formalin; (b) Phase contrast image of wet sample; (c) Phase contrast image of dry sample; (d) Enlarged view of the rectangle in (c)

2.2 三维重建结果

对干燥样本共拍摄1490张投影图像，使用滤波反投影方法进行断层重建。图4显示的是重建出的一张断层像。使用表面绘制得到的小鼠肝脏血管三维重建结果图5所示，图中的两组血管分别是肝静脉和肝内门静脉[9,10]，文中使用两种不同的颜色分别显示。图中能看到肝脏血管的7级分支，最细的血管直径在40 mm左右，可以在三维空间的任意角度对血管进行观察。

图4 一张小鼠肝脏血管断层像Fig.4 One slice tomography image of mouse liver sample

3 结论与讨论

肝脏作为人体最复杂的实质性器官之一，其内部复杂的管道系统和解剖结构决定了肝脏手术的难度。虽然传统CT能够得到肝脏二维断层图像，但前提是使用血管造影剂，这不仅是一种有创性检查，有些病人更因为对造影剂过敏而不能接受检查。MRI检查虽然可以成像软组织，但在图像的分辨率上受到限制。对于二维断层图像，医生们只能通过经验和想象去构思血管和病灶的空间关系，这为精密的外科手术增加了难度。本研究通过相位衬度成像技术，在三维空间显示小鼠肝静脉和门静脉，并且能够显示其7级分支，有助于对肝脏的解剖结构研究和临床诊断治疗。

图5 小鼠肝脏血管三维重建Fig.5 Three-dimensional reconstruction of mouse liver blood vessel

当肝脏样品处于不同状态时，相位衬度成像的效果也不同。我们发现，当成像样品浸泡在福尔马林溶液中时，成像效果很差。分析其原因在于福尔马林的折射率与肝脏折射率相似，而相位衬度成像的成像机制是光线相位信息。相似折射率的组织边界光线不能产生足够的偏折，因此不能被观察到。对湿润和干燥样本的成像也说明了这点。湿润样本中大血管中已经不再充满液体，因此能够显像，而细小的血管中还有液体，所以未能显像。

本文通过同步辐射类同轴相位衬度成像，对小鼠肝脏样本进行分析，发现干燥的小鼠肝脏样本最适宜于进行相位衬度成像。通过滤波反投影算法，成功地得到了样本二维断层图像，使用表面绘制方法，重构肝脏血管的三维模型，真实再现了肝脏血管之间复杂的空间毗邻关系，不仅可显示肝脏的大血管，而且能显示其多级分支，为解肝脏血管系统的精细结构提供了帮助。

致谢：上海光源BL13W1站线的肖体乔、谢红兰、邓彪、杜国浩、薛艳玲等老师和工作人员在相位衬度成像实验中热心帮助和指导，在此一并感谢。

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