衍射增强成像的肝脏组织微观可视化研究

应立刚，黄敏华，赵书臣，王子军，王庆军

衍射增强成像的肝脏组织微观可视化研究

应立刚，黄敏华，赵书臣，王子军，王庆军

目的：探讨衍射增强成像的肝脏组织微观可视化研究。方法：采用在日本光子工厂获得的实验数据，利用滤波反投影法重建肝脏的断层图像，并且对图像进行去噪、增强、消除环状伪影、剪切等处理。此外，选取2种不同的肝纤维化模型的衍射增强图像，计算感兴趣区的纹理测度，并进行分析。结果：四氯化碳诱发的肝纤维化与白蛋白诱发的肝纤维化的衍射增强图像的纹理测度惯量、相关、和的均差确实存在差异，在一定程度上反映了2种物质诱发肝纤维化的不同。结论：衍射增强图像可以清晰地显示肝纤维化的组织纹理特征，是一种很好的X线成像技术。

衍射增强成像；纹理测度；肝纤维化；重建

0 引言

衍射增强成像（diffractionenhanced imaging，DEI）技术[1]是1995年由D.Chapman和他的同事在美国国家同步光源（national synchrotron light source，NSLS）发展起来的。此后，世界范围内主要的同步辐射装置上都开展了这方面的研究工作。与传统的X线成像相比，衍射增强成像通过一种或多种衬度机制的组合使物体的图像更清楚，分辨能力更强，分辨率可以达到μm量级，并且具有成像原理简单、图像衬度易于解释且实验技术要求不高等优点，更适合对医学成像中肿瘤的微小不均匀性和工业部件中的微裂纹进行探测，成为一种发展前景较好且可能近期应用于医学诊断的成像技术[2]。

1 衍射增强成像原理

1.1 衍射增强成像实验装置

衍射增强成像实验装置[3]（如图1所示）主要由X线光源、单色晶体、分析晶体、样品台和探测器组成。

X线光源一般为同步辐射光源，即速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时发出的极强的电磁辐射。同步辐射光[4]具有高亮度、高波谱、高准直性等特点。同步辐射光由同步辐射装置发出。同步辐射装置是一个庞大而复杂的设备（如图2所示），主要包括注入器、储存环、光束线和实验站。

1.2 摇摆曲线

摇摆曲线[5]就是晶面对入射光束的反射率随分析晶体和单色器晶体的夹角变化的函数曲线。不放置样品时，固定单色晶体、转动分析晶体得到的函数曲线称为分析晶体的本征摇摆曲线。如图3所示，纵坐标代表反射率，横坐标代表分析晶体和单色器晶体的夹角。调整分析晶体，使其位于分析晶体摇摆曲线的不同位置，可以分别得到DEI峰位像（对应分析晶体摇摆曲线的峰位θ=0）、左腰像和右腰像（分别对应摇摆曲线左、右半腰的位置

图1 衍射增强成像实验装置

图2 同步辐射装置

图3 本征摇摆曲线

1.3 衍射增强成像的优点

衍射增强成像获得的图像的最大特点是具有很高的空间分辨率和衬度分辨率[6]。

衍射增强成像在获得与传统X线成像相同图像质量的情况下，能降低辐射剂量，也就是在相同辐射剂量情况下，可获得更高的图像分辨率。

在物体内部，不同结构的边缘位置具有最大的对X线的折射系数，在衍射增强图像上表现为明显的边缘增强效果。

2 实验样品与实验方法

2.1 实验样品

实验样品为首都医科大学附属北京友谊医院肝病中心提供的大鼠白蛋白诱发自身免疫性肝纤维化和四氯化碳诱发中毒性肝损害肝纤维化模型。成像前，样品保存在10%的福尔马林溶液中。X线的能量为15 keV，样品厚度为2～4mm。成像后，样品进行常规脱水、石蜡包埋、病理切片（厚度约为4μm）、狼红染色，并用光学显微镜观察。实验在日本光子工厂的BL-14B光束站完成。

2.2 实验方法

衍射增强成像前，将样品从福尔马林溶液中取出。因为福尔马林对X线的吸收很强，不利于实验。

调整光路，使样品位于视野中央。

在不放置样品的情况下，连续转动分析晶体，测得分析晶体的本征摇摆曲线。分析晶体的摇摆曲线受同步辐射电子束流的强度、入射光的能量、设备稳定性和放置样品等因素影响。所以，在衍射增强成像实验过程中，对不同样品在成像之前都要重新扫描摇摆曲线。

采集多幅背景图像，用于在图像后处理过程中通过背景平均去除部分随机噪声。

放置样品，调整分析晶体，分别在摇摆曲线的峰位和左右半腰的位置选择合适的曝光时间进行成像。

将样品放置于单色器晶体和分析晶体之后，贴近探测器的位置，获得基于同步辐射光源的传统吸收图像，以便与衍射增强图像进行对比。

3 断层图像的重建

3.1 Radon变换和逆Radon变换

Radon变换的作用是计算指定方向上的图像的投影（如图4所示）。Rθ（x′）表示与x′成不同角度θ的投影，投影越多（包括投影角度和每个角度所取投影的个数），重建的精度越高。

图4 傅里叶变换

Radon变换在图像重建中的具体形式为截面函数沿着直线的线积分，而图像重建过程则是将截面函数沿不同角度下直线的线积分所产生的投影数据进行逆Radon变换从而得到截面函数。

3.2 断层重建具体方法

衍射增强成像CT的优点有：（1）虽然此成像系统与医院的CT原理相同，但其获取速度较医院的CT快；（2）同步辐射所提供的光源可使图像的空间分辨率得到大幅提高；（3）衍射增强成像采用的同步辐射光为平行光，故在断层重建时不需使用扇状或锥状射束算法，简化了重建过程[7]。

本文选用滤波反投影法进行断层重建。通过衍射增强成像方法，获得小鼠肝脏组织180幅投影图像，角度间隔为1°，图5为其中的一幅投影图像。图像像素为1 384×1 032，格式均为TIF。在图像处理过程中，将图像转换为BMP格式，文件名依次改为000.BMP、001.BMP、002.BMP、……180.BMP，方便MATLAB软件读取。

图5 原始投影图像

用MATLAB软件读取图像之后，要将图像中的数据存储为双精度类型（double），即64位的浮点数，这样计算过程中就不需要再转换数据类型了。

平均多幅背景图像，减去所有投影图像中的背景，得到统一背景的图像文件。然后统一对180幅图像进行对称剪切，即保证旋转中心仍为图像中心，这样可以减少图像处理的数据量，提高运算速度。去除背景且经过剪切后的投影图像如图6所示。

利用滤波反投影法计算逆Radon变换，在频域采用高斯滤波，获得断层图像。图7为其中的一张断层图像。

断层图像的质量将直接影响三维重建的效果。因此，获得断层图像后，还须对断层图像进行伪影消除、灰度增强等处理。尤其是衍射增强成像对组织的边界异常敏感，肝脏样品与空气交界处的信息会影响三维重建的显示效果。因此，除进行上述处理外，还须对断层图像进行不规则剪切，去除肝脏样品的边界信息，以方便三维重建。图8为灰度增强不规则剪切后的断层图像。

图6 去除背景且经过剪切后的投影图像

图7 第618层断层图像

图8 灰度增强，不规则剪切后的断层图像

4 图像感兴趣区的纹理测度分析

实验获得的肝脏衍射增强图像中包含血管、肝静脉、胆管、胆囊等组织的图像信息，如果直接对图像进行纹理测度计算，会使结果产生很大误差[8]。此外，由于图像像素为1 384×1 032，数据较多，直接计算速度较慢。因此，在进行纹理测度的计算之前，首先要从原始图像中选取感兴趣区（region of interest，ROI），选取时尽量避开大血管及明显的图像缺陷区域[9]。分别从四氯化碳诱发的肝纤维化、白蛋白诱发的肝纤维化的衍射增强图像中截取大小为50×50像素的图像各30幅。计算各截取图像的8个典型方向，距离为1的灰度共生矩阵，并根据归一化的灰度共生矩阵计算9种纹理测度。计算的纹理测度结果见表1。

表1 纹理测度比较

纹理测度计算结果显示：四氯化碳诱发的肝纤维化与白蛋白诱发的肝纤维化的衍射增强图像的纹理测度惯量、相关、和的均值差异显著，四氯化碳诱发的肝纤维化图像的惯量、相关、和的均差较小，其余的纹理测度能量、熵、逆差矩等差异不明显。

5 结论与讨论

临床上，对肝纤维化程度的判断有明显的主观依赖性，受到医生经验的限制。衍射增强图像可以清晰地显示肝纤维化的组织纹理特征。本文对纹理测度的计算结果表明，四氯化碳诱发的肝纤维化与白蛋白诱发的肝纤维化的衍射增强图像的纹理测度惯量、相关、和的均差确实存在差异，在一定程度上反映了2种物质诱发肝纤维化的不同。肝纤维化可以通过纹理测度定量表示[10]，但真正评价肝纤维化的数值的确定有待对更多的样本进行统计研究。

DEI成像能清晰地显示正常及肝纤维化样品的图像。正常与肝纤维化样品的图像存在显著的差异，而且不同程度的肝纤维化图像也有明显差异。图像感兴趣区的光强分布及角二阶矩、惯量、逆差矩及熵等纹理参数也显示出这种差异。因此，DEI成像方法为肝纤维化的诊断提供了潜在的影像学方法。

6 结语

衍射增强成像是一种全新的X线成像方法，理论和实验都处于初级阶段，要将这一成像方式应用于临床还有待于进一步研究。

（1）使用更多的、角度间隔更小的投影图像。投影图像数量越多，图像角度间隔越小，重建图像就越准确，越接近实际断层图像。当然，投影图像的角度间隔在一定程度上受到成像设备的限制。

（2）在今后的研究中需要扩大图像样本量。本文对衍射增强图像进行纹理测度分析的过程中，所选取的图像样本量较少，对获得的结果会产生一定的影响。

[1] 丛长虹，陈志华，李红艳.同步辐射X线相位衬度成像的医学研究进展[J].中国医学影像学杂志，2006，14（1）：51-54.

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[2] 刘成林，闫晓辉，张新夷，等.衍射增强成像的若干基础问题研究：Ⅱ衍射增强成像的边界效应和本底影响[J].核技术，2006，29（12）：885-890.

[3] 王宝恩，王志富，殷蔚荑，等.原发肝癌研究的几个问题[J].中华医学杂志，1989，69（9）：503-505.

[4] 朱佩平，王寯越，袁清习，等.同步辐射相位衬度成像医学应用初探[J].物理学报，2005，54（1）：58-63.

[5] 张书铭，胡宇光.同步辐射光成像中的最大似然迭代重建[J].CT理论与技术研究，2007，16（12）：8-13.

[6] 王晶，朱清仙，李新荣，等.四氯化碳诱导性肝纤维化大鼠肝组织白细胞介素4表达的研究[J].实用临床医学，2008，9（11）：3-5.

[7] 李辉，王泰龄，王雪艳，等.同步辐射衍射增强成像的肝纤维化成像研究[J].核技术，2008，31（2）：81-86.

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[9] 李俊江，胡少兴.CT图像环状伪影校正方法[J].北京航空航天大学学报，2007，33（11）：35-37.

[10]Davis R，Elliott J C.X-ray microtomography scannerusing timedelay integration for elimination of ring artifacts in the reconstructed images[J].Nucl Instrum MethodsPhysResA，1997，394：157-162.

（收稿：2013-11-05 修回：2014-01-20）

Research of microscopic visualization of liver tissue using diffraction enhanced imaging

YING Li-gang,HUANGMin-hua,ZHAO Shu-chen,WANG Zi-jun,WANG Qing-jun
(Department of Clinic Radiology,Center of medical Imaging Naval General Hospital,Beijing 100048,China)

Objective To study diffraction enhanced imaging(DEI)applied for themicroscopic visualization of liver tissue. Methods The slice images were reconstructed according to data from Photon Factory in Japan using filtered backprojection method and then several process steps were performed,such as denoising,enhancement,ring artifacts elimination and cutting.The DEI images of two kinds of fibrous liver were chosen as samples,and the texture measurements of region of interest were calculated respectively for analysis.Results The hepatic fibrosis induced by carbon tetrachloride had the DEI images significantly different from those of the hepatic fibrosis by albumin in texture measurement inertia,relevance and etc,and then the differences between the two hepatic fibroses were showed partly. Conclusion The diffraction enhanced image can clearly show the tissue texture features of liver fibrosis,and is a kind of effective X-ray imaging technology.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：19-21，50]

diffraction enhanced imaging;texturemeasurement;hepatic fibrosis;reconstruction

R318；O434.1；R445

A

1003-8868（2014）08-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.019

应立刚（1987—），男，工程师，主要从事影像设备维护、PACS方面的研究工作，E-mail：sishen0909@163.com。

100048北京，海军总医院医学影像中心门诊放射科（应立刚，黄敏华，赵书臣，王子军，王庆军）

黄敏华，E-mail：hmhpiancun8888@sina.com