同步辐射衍射增强成像技术应用于小鼠肾脏的成像实验

2016-10-18王踉碕彭屹峰魏来黄克诚朱佩平何

中国医学计算机成像杂志 2016年4期

王踉碕彭屹峰魏来黄克诚朱佩平何伟

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目的：不同于常规的吸收成像，相位衬度成像可以获得更高的衬度分辨率、显示更多的微细结构信息，尤其适合于轻元素（含氮、氢成分较高的组织）显示，本实验通过对小鼠肾脏组织的成像研究，旨在评价应用同步辐射相位衬度成像技术在软组织成像诊断上的价值。方法：在北京同步辐射装置形貌站4W1A束线上，设计衍射增强成像实验（DEI）光路，取经过福尔马林固定后的小鼠肾脏组织样品（根据光斑尺寸做适度切除），置于光路的样品架上进行成像，以空间分辨率和组织衬度作为评价标准。结果：在衍射增强（DEI）中腰位成像获得较好的对比度及图像衬度，可以显示包括肾小球结构在内的肾脏微细结构；采用333Si分析晶体要比111Si衬度明显提高。结论：衍射增强成像技术能较好显示肾脏的微细解剖结构，对于以轻元素为主的脏器成像有较好的应用价值，而对于适龄和老龄的肾脏之间存在着的血管模式、形态上的差异在某种程度上有一定的诊断价值。

同步辐射；相位衬度；衍射增强成像；小鼠肾脏

【Abstract】Purpose： Unlike conventional X-rays absorption imaging on mechanism， one new technique named phase contrast imaging （PCI） may give rise to higher resolution and reveal more microstructure information which especially adapt to light element. The study aimed to evaluate the value of the DEI with Synchrotron radiation （SR） in soft tissue imaging through the experimental imaging of mouse kidney. Methods： At 4W1A line in the Beijing synchrotron radiation facility （BSRF）， the mouse kidney tissues were studied. The sample tissues were fixed on the sample holder. The diffraction enhancement imaging （DEI）， which was one of the PCI techniques， were performed. The image contrast and resolution were analyzed. Results： Microstructure and information including the structure of glomerulus， which could not be revealed in the convention X-rays imaging， were found. Better imaging contrast was achieved with Si （333）as the analyzer crystal than that with Si （111）， and the image resolution reached to micrometer grade by magnifying calculation. Conclusion： The DEI phase contrast imaging has great images resolution and good contrast， the micro changes can be detected by it. Basing on the excellent tissue contrast and resolution， tumor and cardiovascular disease diagnosis in the early phase may be well solved.

【Key words】Synchrotron radiation； Phase contrast technology；Diffraction enhancement imaging ；Mouse kidney

硬X射线成像除吸收衬度外，还包括X射线的相位改变、衍射、折射、散射、荧光和光电子的激发等。其中硬X射线相位衬度成像，因其具有高密度分辨率（在硬X射线能段，轻元素C、H、O等的光学常数中的相位项比吸收项高1000倍以上）和高空间分辨率（微米量级）等优点，可以获得弱吸收衬度组织（含C、H、O成分为主）的清晰微结构显示，同时获得更好的分辨率［1］，使硬X射线相位衬度成像在生物医学领域有广泛的应用前景。

目前开展的同步辐射相位衬度成像方法主要有干涉法［2］、衍射增强法［3］和类同轴全息法［4-5］。衍射增强成像（DEI）利用一套双晶单色器实现成像［6］，因为只有满足布拉格角的单色光才能被单色器晶体衍射，所以单色器晶体不仅是单色器，而且是角度滤波器，分析晶体没有单色作用，它仅仅是角度滤波器，或称角度分析器，不放置样品时，两次晶面反射的光强由两块晶体反射率的互相关，即摇摆曲线决定。

本研究通过同步辐射衍射增强成像方法进行肾脏成像，通过对获得的图像信息研究，以组织衬度及空间分辨率为评价指标；尽管目前评价肾脏的影像检查方法较多，但在显示组织微细结构等方面都存在较大限制，本文旨在评价相位技术在肾脏成像方面的价值。

方法

实验在北京同步辐射装置4W1A束线形貌站行同步辐射衍射增强成像（DEI）实验，束线的X射线能量范围为3～22keV，能量为12keV是光强及分辨率均较好。图1是衍射增强成像的实验装置示意图；在成像中，分别采用111Si 、333Si晶体作为分析晶体并进行对照；X线光源和样品间距离1.5m，样品和成像板（探测器）距离为2m，最大水平接收角为1.0mrad，最大垂直接收角为0.3mrad。样品选用经4%甲醛溶液（formalin）固定的小鼠肾脏。

图像采集装置实验中我们采用分辨率10.8 µm（Photonic Science Limited， X-ray FDI）CCD成像。

扫描摇摆曲线（反映衍射光强随分析晶体角度的变化而变化的曲线）后选择曲线上的位点再行成像，一般选择取经典位置（峰位、双侧腰位及底位）作为研究目标；限于本文篇幅原因，我们基于以往经验，选择图像衬度及分辨率均较好的腰位作为研究点，并针对不同的分析晶体333Si 与111Si的成像效果进行了对照分析。

图1　BSRF DEI 成像装置示意图。

结果

DEI成像实验中，肾脏血管结构显示得非常清楚（图2，3），包括从主干到肾包膜下的各级血管均可获得清晰显示；而比较DEI不同分析晶体的成像效果比较中，我们发现111Si 的成像效果（图2）明显好于333Si 分析晶体的成像效果（图3）。

在断层扫描成像实验中，分别显示出肾脏的诸多微细结构（图4，5），包括近曲、远曲小管等诸多肾脏组成微细结构，以及肾小体、肾小囊结构，经显微放大法测量获得其分辨率约为10µm量级。肾小球是肾脏构成的基本功能和解剖单位，位于皮质迷路和肾柱内，直径约20µm，由肾小囊和血管球组成，肾小囊（renal capsule）是肾小管起始部膨大凹陷而成的杯状双层囊，血管球是肾小囊中的一团蟠曲的毛细血管。

讨论

衍射增强成像技术最大特点是在样品与探测器之间使用了一块与单色器晶体一致的分析晶体。分析晶体在微弧度水平探测出物体的散射和折射，物体成像的X射线强度受到物体的散射和折射的调节，而传统X射线不可能获得这种角度的敏感性。

衍射增强成像（DEI）的最大优点是无须采用干涉方法就可以获得物体的相位分布。携带样品信息的X射线，通过衍射增强就能将相位分布体现为强度分布而得以测量，这在折射率不同的组织交界边界处尤为显著。

图2　333Si 获得的小鼠肾脏成像。图3111Si 获得的同一小鼠肾脏成像。

图4　小鼠肾脏DEI成像。A.小鼠肾脏横断面DEI成像； B.小鼠肾脏冠状面DEI成像； C.小鼠肾脏冠状面DEI成像。

不同晶体探测的能力有较大差别，我们的实验中，在同样的X线能量条件下对分析晶体333Si与111Si的成像效果进行比较，结果发现有明显不同；由于333Si摇摆曲线的半高宽位要比111Si的明显狭窄，而正是这种摇摆曲线陡峭的斜坡充当衬度放大器，斜坡越陡峭，图像衬度的增加就会越大。因此对于同一个样品，基于相同的Δθ的改变，333Si装置导致的ΔI改变要比111Si 的大好几倍，因此产生了更高的图像衬度。这就是333Si 晶面能够更加清楚的原因。

图5　定性对比观察两组肾脏间组织学（H-E染色x 100倍）、DEI。A.正常组代表，显示完整健全的肾小球、肾小囊、肾小管结构，清晰的系膜和间质；C.CGN组代表，显示肾小囊损伤，肾小管稍扩张，间质水肿，细胞浸润；B、D.放大的对照组DEI图像代表和CGN组DEI图像代表。两图可以观察到肾脏微结构，肾单位、肾小管及肾间质较清（B）晰。

近年来应用同步辐射衍射增强成像开展肾脏的成像研究有较大发展；Gang等［7］采用最简单的两块晶体研究了肾脏切片厚度与成像质量之间的关系。陈志华等［8］采用同步辐射DEI成像显示一个肾段的细微解剖结构，包括肾脏被膜、弓形动、静脉、肾乳头结构、小叶间动、静脉，最细的分支直径为30µm。髓质区直集合管、乳头管结构清晰，最细可分辨直径为30µm的集合管和乳头管管道系统。在衍射增强成像技术发展的同时，应用同步辐射其他相位技术进行肾脏成像的研究也在不断开展。笔者应用同步辐射同轴技术研究了肾脏的正常结构及衰老的成像研究［9-10］。Yong等［11］在韩国Pohang Light Source（PLS）装置上应用同步辐射折射成像方法对肾脏正常及癌肿组织进行了成像研究，发现通过折射边缘增强效用可以显示相当于700倍光学显微镜下的微细组织结构，对于癌症组织的亚型分类及微细改变如囊性退变均可清晰显示。

肾小球的病变是肾脏病变的基础。在我们的DEI成像实验中，较为清晰地显示了包括肾小球在内的微细解剖结构，这对于对于开展象小鼠在内的动物肾脏成像研究具有较为理想的价值，肾小球是肾脏解剖和功能结构的基本单位，能在此基础上早发现病变并尽早实施相应的治疗将极大改善目前肾脏病变的诊疗状况，并一定程度减少病人承受的肾脏穿刺的痛苦。当前我们虽然获得了较高的图像，但离我们建立实验模型所需要的成像要求仍有较大的差距，进一步提高图像分辨率，优化包括束线能量在内的成像参数，细化摇摆曲线上扫描位点的选择等诸多改进措施将极大提高我们的实验层次，带来更令人欣喜的成果。

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Investigation of Mouse Kidney with SR-DEI Imaging

WANG Liang-qi1， PENG Yi-feng1， WEI Lai1， HUANG Ke-cheng1， ZHU Pei-ping2， HE Wei2

Natural Science Foundation of Shanghai No.11ZR1427800

O434.1

1006-5741（2016）-04-0379-05

2016.01.29 ；修回时间：2016.05.31）

中国医学计算机成像杂志，2016，22：379-383

1上海市普陀区中心医院放射科

2中国科学院北京高能物理研究所同步辐射实验室

通信地址：兰溪路164号2号楼3楼放射科，上海 200062

彭屹峰（电子邮箱：peng2188@sina.com.cn）

上海市自然科学基金 No：11ZR1427800