同步辐射在血管成像上的应用

吕若楠，彭屹峰

（上海中医药大学附属普陀医院，上海 200062）

X线、MRI、CT、单光子及正电子发射CT和超声技术被开发并应用于临床，然而随着临床医学的发展及需求的提高，作为以吸收衬度为基础的这种基本成像机制无法满足临床需求，尤其是对于密度差异较小的以轻元素为主的组织，如软组织。而同步辐射依靠其光源的优点及相位衬度为基础的成像机制带来成像新进展。相位衬度成像与计算机断层扫描相结合形成X射线相位衬度微计算机断层扫描技术，其分辨力和清晰度得到极大提高，能满足医师从三维的角度来观察生物和人活体器官的需求，分辨力可达到微米水平。因此，研究同步辐射光源在医学成像上的应用具有重大临床意义。

1 同步辐射的成像优点

同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于其是在同步加速器上首次被观察到，因此被称为“同步辐射”［1］。同步辐射X线成像与传统成像模式的区别在于其具有高亮度、宽波段和较好的空间相干性等特点。①同步辐射X射线从同步辐射装置产生，其亮度要比传统装置高5～6个数量级，应用了“扭摆器”等高级插入件的第三代光源亮度更是高达12个数量级［1］。同步辐射的高亮度能极大降低血管造影或DSA对比剂的量，因此，可使用更安全的静脉对比剂。②同步辐射能产生一个从红外线、可见光到硬X线的连续范围光谱，横跨4～5个数量级，可根据所进行生物品分析的需求调出光谱适用波长的光。③衍射成像和干涉成像也能通过同步辐射较好的空间相干特性得以实现。

2 主要的X线相位衬度成像技术

X线相位衬度成像技术主要分为4大类：同轴相位衬度成像、衍射增强成像、干涉法成像和光栅干涉成像。①同轴相位衬度成像无需构建复杂的光路，仅需一个满足空间相干性要求的X射线源，并根据实验需求调整样品到探测器的距离就能实现相衬成像。②衍射增强成像是利用物体与探测器之间的晶体单色仪和分析晶体产生的准直X射线束，在这种方法中，入射的单色X射线穿过物体，由于物体中存在折射率梯度，可能发生折射，从而使透射光、折射光和散射光分开得到高分辨力图像［2］。③干涉法是一种直接的试验方法，通过测量物体内部的相位变化获得物体的散射性质。干涉法在20世纪90年代作为一种适合生物医学成像的方法被实施并得到长足发展。④光栅干涉法是在19世纪早期发现的一个光学现象，正如在一个光栅周期中菲涅尔衍射解释的一样，这个光栅图像在光栅后面以规则的距离被重复，dr=2p2/λ，其中p就是光栅周期。X线光栅干涉相比于传统的以吸收为基础的成像方法能够提供持续增强的对比，因此可提供更新和互补的信息。

3 同步辐射在血管成像上的应用

3.1 同步辐射在活体血管造影上的应用 同步辐射应用在活体血管造影最大的优势是应用K吸收边的效应。K吸收边DSA利用同步辐射光源在碘K吸收边（33.17 keV）两侧附近的单色光产生两束光能量，对注射碘对比剂的脏器进行显像处理，结果含有碘原子的血管显示清晰，从而对毫米级的血管是否阻断作出判断，但是脂肪和肌肉等的吸收差别就很小［3］。另外，同步辐射冠状动脉造影（冠脉造影）技术是目前少数用于人体研究的医学研究之一，Dix等［4］研究证实同步辐射冠脉造影的辐射剂量更低、操作更简便，更适于冠状动脉粥样硬化性心脏病（冠心病）的基础研究和随访研究。Tamaki等［5］通过微血管造影实验观察了正常老鼠和颈动脉闭塞老鼠的脑血管。这表明微血管显像还能提供关于血流动力学的有价值信息。Guan等［6］用同步辐射血管造影术在活的啮齿类动物中研究线栓诱导的大脑中动脉闭塞模型时，发现老鼠大脑中动脉闭塞后有机硅涂层的长度将影响大脑血流量和大脑梗死体积，由缝线诱导的血栓形成是实验中风模型的另一潜在并发症。缝线撤下后血栓的形成会影响再灌注。同步辐射血管造影数据显示合适的肝素管理可被用来提高老鼠再灌注模型的重复性［7］。同步辐射血管造影术的另一个应用是在小动物模型身上检测功能性的血管生成。Lu等［8］的实验中采用同步辐射血管造影术，显示出在鼠脑缺血后身体同侧半球的不同轴突导向因子1号的超表达会促进功能性的血管再生和功能性的恢复。之后鼠脑的梗死灶周围人类内皮祖细胞移植也能促进血管再生［9］。这些研究表明同步辐射血管造影术是评价治疗后功能性血管再生的重要工具。

3.2 同步辐射在离体脏器肿瘤新生血管上的应用乳腺癌是常见的恶性肿瘤，早期检测并全程监测肿瘤新生血管的变化对乳腺癌的检出与治疗有重要意义。李瑞敏等［10］通过同步辐射衍射增强技术研究人离体乳腺癌，由于其较好的空间分辨力和衬度分辨力得到的图像中肿瘤癌巢呈结节样改变，与病理结果高度一致，且同步辐射折射的成像原理极大减少了辐射剂量，应用前景良好。肝细胞癌的病死率居恶性肿瘤第2位，肿瘤细胞的无限生长和转移皆建立在肿瘤新生血管形成基础之上。简建波等［11］通过相位衬度CT（phase contrast computed tomography，PCCT）对肝细胞癌微观结构进行实验研究，PCCT图像结果与病理结果极其一致、肿瘤边缘及其微血管和窦样微血管等微观结构实现三维可视化，血管最小直径20 μm，并对微观结构改变进行了定量分析，这为未来肝细胞癌的研究提供了重要临床依据。Li等［12］通过X线类同轴相位衬度成像对裸鼠原位肝癌模型的肝肿瘤血管进行形态学研究，成功获得了肝肿瘤异种移植中新生血管的图像，除区分肿瘤和正常肝组织外，定量分析显示血管密度随肿瘤生长先升高后逐渐降低。林慧敏等［13］通过动物样品的光栅X线相衬成像法，结合常规HE染色结果，研究无对比剂情况下光栅相衬法对肿瘤及内部新生血管微结构进行成像的情况；结果显示血管直径为15～30 μm，说明在无对比剂的情况下，光栅X线相位衬度成像能对胃癌肺转移灶及血管结构清晰成像。

3.3 同步辐射在活体组织血管上的应用 脑组织的密度很小，脑部血管与组织间的密度差更小，因此用常规的检测手段无法在较大视野内观察脑部深处的血管病变情况。管永靖等［14］利用同步辐射光源成像技术建立了在体和活体实时观察大鼠脑部微血管的同步辐射成像体系，获得了正常大鼠在体及活体的脑部血管图像，探索出一些稳定的实验参数，初步积累了一些成像及图像分析的经验，为以后深入研究脑血管疾病奠定了基础。有研究［15-18］表明脑血管在高血压动物中经历了结构和功能上的变化。Wang等［15］对自发性高血压大鼠和Sprague Dawley（SD）大鼠行同步辐射血管造影，比较了血管结构和功能与衰老的差异；并探讨了血管结构的改变与血压及年龄的相关性，从而影响血管疾病的诊断结果；结果显示了高血压在体内引起的脑血管结构、功能的改变，表明同步辐射血管造影对于检测啮齿类动物的血管疾病诊断具有很大帮助。还有研究［16-17］采用类同轴相位衬度成像来显示老鼠的微血管，且被用来研究老鼠体内皮下肿瘤的血管生成。Tang等［18］进一步研究了微气泡作为相位衬度成像对比剂的可行性；微气泡使肾血管在同步辐射相位衬度成像中与周围组织形成鲜明对比。因此，以微气泡为基础的相位衬度成像有望在肿瘤进展和预后评估中成为新的成像工具。

3.4 同步辐射在血管网络定量分析上的应用 血管网络遍布于人体内部，除了视网膜血管外，其他部位的血管均需借助成像手段观察。血管网络定量分析是对血管网络的特性进行量化分析并赋予明确的数值，从而客观判断血管异常或病变。因此，精确的血管定量分析需要成熟的成像技术作为支撑。近些年来基于同步辐射光源的CT、Micro-CT、透射成像技术发展迅速，目前的定量分析手段可直接用于高分辨力数据的分析。彭浩杰等［19］在前人血管网络定量分析的基础上认为，同步辐射光源作用下血管网络定量分析需进一步完善分析体系，全面定义新的定量指标，提高描述血管在细微形态学上差异的精确度；同时在现实分析中针对特定疾病，使用成熟的定量分析指标评估病变血管各阶段的动态变化；实际应用中，可做到多种定量指标的联合。周源［20］运用同步辐射的方法，通过数据处理得到的3D形态学量化参数验证了川芎嗪能促进急性脊髓损伤后血管新生，说明同步辐射在血管网络定量分析中的可行性。

3.5 同步辐射在血管三维成像上的应用 吴天定等［21］采用同步辐射相位衬度成像对大鼠脊髓损伤后微血管进行3D可视化研究，结果实现了脊髓微血管网络的三维可视化。同步辐射相位衬度成像无需血管对比剂，可对脊髓微血管3D结构进行可视化成像及量化分析；Zhang等［22］用X射线相位衬度成像技术对兔眼血管进行三维重建，结果发现该技术可成像整个眼睛的血管，不仅是视网膜血管；笔者从二维图像和三维模型中确定血管的直径和形态特征，并获得微脉管密度分布的测量值，可为青光眼滤过手术提供参考。冠状动脉闭塞是心肌梗死最常见的原因，Zhang等［23］进行基于X射线相位衬度成像的心脏微血管栓塞三维成像研究，结果发现其可直接在心肌梗死模型中三维成像微血管，并量化梗死微血管。因此，相位衬度成像可能成为研究心肌梗死的一种新方法。Zhang等［24］通过同轴X线相位衬度微电子计算机断层摄影术首次揭示针灸穴位的三维形态结构，在穴位处清晰可见微血管的聚集，而非穴位区则没有。Liu等［25］进一步研究显示，穴位大小可通过微血管聚集物的直径估计，这为针灸穴位的存在及其疗效的研究提供了有力依据。

4 应用价值和前景

同步辐射在血管成像上的应用上由离体研究发展为活体组织器官研究，可在不用对比剂的情况下实现对血管的成像，降低了碘对比剂带来的不良反应，且其空间分辨力和衬度分辨力俱佳，得到的图像更优质，更利于诊断，是医学血管成像的一次飞跃，为临床诊断提供更便捷的可能性。然而现阶段同步辐射成像效果受样本的固定方法、组织类型及干燥程度、大小厚薄等因素的影响，同时用于成像的条件，如光斑大小、X线能量、分析晶体角度等尚无统一标准，实现临床应用仍较困难。因此，还要加强同步辐射的成像研究，并开发性价比高的小型同步光源服务于医疗行业。