离体生物软组织同步辐射相衬CT成像

张建发，陈秀君，李雯靖，黄钟杰，钟朝森，周光照，林顺发>

(1.汕头大学医学院第一附属医院放射科，广东 汕头 515041；2.中国科学院上海应用物理研究所，上海 201204)

自1895年德国物理学家伦琴发现X线以来，X线成像技术飞速发展，但面临着辐射剂量增加和衬度分辨率低等问题。传统X线检查通过组织间不同吸收系数而成像，软组织分辨率低，无法显示肌腱、韧带、软骨、血管、神经及与周围组织密度差别不大的软组织肿瘤。同步辐射相衬成像是一种新的成像理论和技术，可将X线折射效应引入空间相位偏移分布，利用不同组织折射系数的差异进行成像，主要应用相差衬托信息(当X线穿透样品后X线强度会重新分配)并依靠X线通过样品的折射效应。目前同步辐射相衬成像已广泛应用于诸多领域，如生物医学及材料科学[1-3]等。本实验利用上海光源的BL13W1线站对离体人贲门、食管、食管癌及脑血管标本进行同步辐射相衬CT成像，观察以成像模式显示软组织细微结构的可行性。

1 材料与方法

1.1 样品制备 收集5例食管癌患者手术切除标本和2具尸体标本的大脑中动脉，以生理盐水反复冲洗，清除手术切除标本表面黏液及出血，并尽量冲洗大脑中动脉腔内淤血，以10%福尔马林固定1天后，于3个食管癌手术切除标本中远离肿瘤的贲门区纵向完整提取3块细长贲门组织，约10 mm×4 mm×3 mm，包括黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层；于另外2个食管癌手术切除标本中分别提取食管癌组织及正常食管2块，大小同上，其中食管癌组织包括肿瘤组织、交界区及肉眼观正

常食管壁，正常食管包括黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层；于尸体标本大脑中动脉提取长约10 mm的血管组织。将以上样本以10%福尔马林固定2天，自然干燥后置于塑料管内以备同步辐射相衬CT成像。

1.2 同步辐射相衬CT成像及图像重建 于上海光源BL13W1线站实验站对上述样本行同步辐射相衬CT成像。在CT数据采集过程中，令样本围绕圆柱轴行180°旋转，每旋转180°获得900帧投影，每帧投影曝光时间约1 s(图1)。采用X-TRACT和Amira软件分别对数据进行二维及三维重建。

图1 同步辐射相衬CT示意图

1.3 病理学检查 成像后的样本经脱水、石蜡包埋后，以4m厚切片，经HE染色后采用光学显微镜观察，并与同步辐射相衬CT图像进行对比。

2 结果

2.1 离体正常贲门及食管同步辐射相衬CT成像 可清晰显示离体正常贲门壁(图2)及食管壁(图3)的细微结构，包括黏膜层、黏膜下层及肌层。黏膜层和肌层之间被疏松且呈“蜂窝状”的黏膜下层分开，黏膜层表面光整。肌层内可见多条管状低密度影。

图2 离体正常贲门壁同步辐射相衬CT图像及病理图 CT轴位(A)及三维重建(B、C)图像可清晰显示贲门壁三层结构(黏膜层、黏膜下层、肌层)，箭示裂隙，黏膜层及肌层完整，三层结构间边界清晰，与病理图(HE，×40)所示相对应(D)

2.2 离体食管癌标本同步辐射相衬CT成像 可清晰显示食管癌浸润食管壁，表现为肿瘤破坏黏膜层，仅见少许黏膜残留，黏膜下层完全被肿瘤组织浸润至破坏消失，肿瘤组织与正常食管壁间界限不清，食管壁形态不规则，黏膜面凹凸不平(图4)。肌层内亦可见多条管状低密度影。

2.3 离体血管同步辐射相衬CT成像 可清晰显示正常血管壁及腔内淤血，血管壁均匀、光整，边缘清晰；三维重建图像可显示血管壁表面结构(图5)。

3 讨论

同步辐射相衬成像主要应用相差衬托信息并依靠X线通过样品的折射效应。由折射率公式[n=1-δ+iβ(其中δ=reρeλ2/2π，β=μλ/4π，n为折射率，re为经典电子半径，ρe为材料中电子的平均密度，λ为波长，μ为X射线的线吸收系数[4]，i为虚数)]可知，δ与相位有关，β与吸收系数μ有关[5]。如对于物质C2H4，25 keV的X线相位相关指标δ值为3.5×10-7，而吸收相关指标β为8.1×10-11，δ比β大3个数量级，且相衬可达0.000 3 g/cm3，因此，理论上同步辐射相衬成像对碳、氢、氧、氮等物质构成的软组织的分辨率比常规X吸收成像高1 000倍左右[6]。近年来同步辐射相衬成像发展迅速，并已有多种技术用于实验，包括X线干涉法、衍射增强成像、类同轴法及光栅成像[7]，并应用于多种软组织成像。Miao等[8]利用同步辐射相衬CT观察小鼠脑结构，包括皮质、脑室、基底节、丘脑及小脑，可显示脑组织缺血损伤后直径约7.4 μm的微小血管改变。Takeda等[9]采用同步辐射相衬CT(类同轴法)对Wistar大鼠肝血管进行成像，发现在不使用对比剂的前提下可清晰显示直径约0.03 mm的微小血管。Montgomery等[10]发现，同步辐射相衬CT可显示犬前列腺尿道移行细胞癌坏死区、炎性区域及病变组织与其正常组织的边界。Momose等[11]利用X线干涉仪获得了清晰的小鼠肝血管树图像。Grandl等[12]利用光栅成像及Talbot图像干涉仪进行乳腺癌体外成像，可清晰显示微小结节及细微钙化灶。Leong等[5]以类同轴法进行小鼠肺泡成像。Tao等[4]利用同步辐射相衬CT成像显示裸鼠胃癌。相位衬度成像主要依赖X线的折射作用，与X线的吸收无关，故可使用更高能量的X线进行成像，被样本吸收的辐射剂量更少，可明显减少对生物组织的辐射损伤；其设备装置简单，只需1个双晶单色仪、样品台和1个探测器。

图4 离体食管癌标本同步辐射相衬CT图像及病理图 A.轴位图像显示黏膜下层消失，肿瘤组织与食管壁间边界不清； B、C.三维重建图像显示食管形态不规则，黏膜面凹凸不平(B)，肌层表面尚光整(C)； D.病理图(HE，×40)

图5 离体脑血管同步辐射相衬CT图像及病理图 A.轴位图像显示血管壁及腔内淤血； B、C.三维重建图像显示血管壁、血管腔、腔内淤血(B)和血管壁表面结构(C)； D.病理图(HE，×40)

本研究所用光源为1台8个周期的混合型扭摆器光源，周期长度14 cm，能量覆盖范围8.0～72.5 keV，磁隙调节范围为17～35 mm。将1台固定出射光斑的液氮冷却单色器放置在距离光源28 m处，单色器晶体由1套Si(111)晶体和1块Si(311)晶体组成。高精度样品台可沿x、y、z轴(3个方向)进行平移及绕轴旋转，平移精度1 μm。光束线的光斑接收角为1.5×0.2 mrad2。X线能量优化在15 keV。高准直单色光投射至样品，通过样品的X线束产生吸收及位移信息，X线束传播9 cm后，通过涅菲尔衍射变换，位移信息被转换位可测量的信号强度。采用CCD照相机(像素2 048×2 048，分辨力3.7 μm3.7 μm)将探测的信号转换成图像。成像过程中需要注意以下各项：①根据实验参数选择合适的IL-XPCT成像距离，使相位衬度像最佳；②严格校正样品旋转平台转轴与CCD照相机探测平面的相对位置，使两者尽量平行，以尽量减小CT重构伪影；③采集IL-XPCT投影数据，同时采集白场像和暗场像(分别为光束线站有光但样品不在光路中和光束线站无光时探测器采集的图像)；④图像处理和CT重构，采用X-TRACT对IL-XPCT投影数据进行相位恢复及数据重构获得二维图像，利用Amira进行图像三维重建，并对各个投影数据的背景噪声、样品旋转平台旋转轴轴心位置、环形伪影等进行校正。

目前胃肠道主要成像方法为CT、MR及内镜等，诊断血管病变则主要有CTA、MRA及DSA等手段，但其空间分辨力多为毫米级，不能满足临床精确观察分析组织结构的需求。相位衬度成像在生物软组织成像方面效果良好，分辨力能达到微米级水平。本实验中，同步辐射相衬CT成像清晰显示离体正常贲门壁及食管壁的3层结构，尤其是疏松的黏膜下层表现为“蜂窝状”，可与黏膜层及肌层截然分开；离体正常食管及食管癌标本肌层内均可见多条管状低密度影，可能是在样本的固定和自然干燥过程中纤维收缩所导致的裂隙；显示食管癌浸润食管壁的情况，即黏膜下层消失，肿瘤组织与食管壁分界不清，食管形态不规则，黏膜面凹凸不平；在不使用对比剂的前提下，同步辐射相衬CT可清晰显示离体血管壁及血管腔内结构，三维重建图像还可显示血管壁表面结构。

本研究为实验性研究，所用样本经固定和自然干燥，导致水份丢失，与在体组织不同。目前同步辐射相衬CT成像尚不能用于临床，但本研究结果提示， 此项技术或可为影像学诊断生物软组织疾病提供新的研究方向。另外，同步辐射相衬CT成像视野小，不适用于大样本，但有学者[13]指出，可使用Talbot图像干涉仪，结合常规X线球管成像，以获得更大的成像视野。

(致谢：感谢中国科学院上海应用物理研究所、上海光源提供实验设备及技术支持。)

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《中国医学影像技术》投稿要求(一)

1总体要求文稿应具有科学性、先进性、创新性和可读性，力求重点突出，论点明确，资料详实，数据可靠，结构严谨，写作规范，表达准确，文字精炼。文稿撰写应遵照国家标准GB 7713科学技术报告、学位论文和学术论文的编写格式，GB 6447文摘编写规则，GB 7714文后参考文献著录规则；专家述评4 000字左右，研究论著、综述类论文5 000字左右，经验交流一般不超过2 500字，个案报道不超过1 000字。

2题目力求高度概括、言简意赅且能反映论文的主题，文题字数一般不超过20个汉字，尽量不设副标题，题目中尽量不使用阿拉伯数字开头。

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7英文单位应与中文单位对应，按查阅本单位官方网站或咨询相关职能部门，规范英文单位名称。