多種類生物醫(yī)學(xué)組織的DEI實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、為了突破經(jīng)典的X-ray吸收襯度成像(X-my absorption contrast imaging，XACI)方法學(xué)僅對(duì)重元素硬組織成像的機(jī)制限制，以適應(yīng)早期診斷的巨大迫切臨床醫(yī)學(xué)需求，在同步輻射(Synchrotron Radiation，SR)技術(shù)的啟發(fā)和促進(jìn)下，近十多年來(lái)人們逐步提出并發(fā)展了硬X射線位相相襯成像技術(shù)(X-ray phasecontrast imaging，XPCI)。新近，隨著第三代SR的出現(xiàn)，有關(guān)XPCI的微

2、觀成像研究更加活躍起來(lái)，在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、考古學(xué)、材料學(xué)等各領(lǐng)域獲得了初步實(shí)現(xiàn)，成為X-ray成像應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域內(nèi)的前沿課題。
　　 衍射增強(qiáng)成像(Diffraction Enhanced Imaging，DEI)，是XPCI的基本實(shí)現(xiàn)方式之一。在DEI中，它所特有的基于物質(zhì)位相信息的高折射襯度分辨率被認(rèn)為更適合于低Z輕元素構(gòu)成的微小軟組織病變的早期微觀成像，從而突破了XACI乃至全部醫(yī)學(xué)影像學(xué)(Medical Imaging)

3、的成像范圍，為長(zhǎng)期以來(lái)困擾臨床影像醫(yī)生以至整個(gè)臨床醫(yī)學(xué)的疾病早期診斷，尤其是惡性腫瘤的早期影像學(xué)定性診斷，帶來(lái)了新的希望。而且，由于它對(duì)成像光源的相干性要求不甚嚴(yán)格，對(duì)成像裝置的要求相對(duì)較低(無(wú)需調(diào)整物像距離)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是可能最先被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像的XPCI實(shí)現(xiàn)方式。
　　 對(duì)于這一衍生于經(jīng)典的新穎技術(shù)，當(dāng)然引起影像醫(yī)學(xué)研究者極大的興趣。
　　 目的：
　　 作為一種尚處在發(fā)展中的新技術(shù)，目前DEI仍存在著

4、諸多問(wèn)題。本研究旨在于，依托北京同步輻射裝置(Beijing Synchrotron Radiation Facilities，BSRF)，著重對(duì)現(xiàn)存生物醫(yī)學(xué)DEI應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究中的幾個(gè)突出問(wèn)題作一較大樣品量與較多樣品種類的深入探索，以期達(dá)到以下研究目的。
　　 1、哪些種類生物醫(yī)學(xué)組織樣品成像需要或適合DEI，其中又以哪些最適合或成像效果最佳?其中，哪些種類生物醫(yī)學(xué)組織樣品成像以何種DEI類型(源于不同RC位置點(diǎn)或不同圖像處

5、理方式)及其組合最為適合(最佳)?
　　 2、BSRF上的DEI-CT技術(shù)，其用于生物醫(yī)學(xué)組織樣品成像的效果；
　　 3、不同成像條件在生物醫(yī)學(xué)組織樣品DEI實(shí)驗(yàn)中的比較效果；
　　 4、探索有關(guān)XPCI影像判讀標(biāo)準(zhǔn)。
　　 材料與方法：
　　 本研究成像靶目標(biāo)，包括源于人體6個(gè)系統(tǒng)、12個(gè)臟器、6種組織類型的手術(shù)標(biāo)本的正常解剖與病理組織樣品及取自動(dòng)物病理模型的樣品共50個(gè)。
　　 在BS

6、RF形貌學(xué)實(shí)驗(yàn)站，利用4W1A束線引出的硬X-ray(能量范圍為5～35keV)，進(jìn)行DEI實(shí)驗(yàn)。分別采用Si(111)/12KeV與Si(333)/15KeV，對(duì)多種類生物醫(yī)學(xué)樣品進(jìn)行了二維DEI實(shí)驗(yàn)；并對(duì)其中3個(gè)樣品在Si(111)/12KeV條件下進(jìn)行了三維DEI-CT掃描。同時(shí)，在同一條件下攝取XACI作為對(duì)照。之后，對(duì)所獲原始影像行減背底處理及信息分離與提取。
　　 成像后，拍攝樣品體視顯微鏡照片，以備樣品影像與大體形

7、態(tài)對(duì)照。并對(duì)樣品行常規(guī)脫水，石蠟包埋，縱向切割制作5μm厚的連續(xù)組織切片，蘇木素-伊紅(HE)染色，以備光鏡下觀察更微觀的組織病理學(xué)。
　　 對(duì)于實(shí)驗(yàn)所獲各種類X-ray影像，主要采用醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究中的目測(cè)法(半定量)像質(zhì)分析—盲法等級(jí)評(píng)分。輔助性地，對(duì)少量典型影像也采用物理光學(xué)影像分辨率定量數(shù)據(jù)測(cè)量。
　　 對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲各種類X-ray影像的評(píng)分結(jié)果，進(jìn)行必要的統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)分析。
　　 結(jié)果：
　　 對(duì)成像

8、樣品進(jìn)行了包括XACI與DEI兩種機(jī)制(后者中又包括兩種不同成像條件)下的多次基于SR的對(duì)比性X-ray成像掃描(每個(gè)樣品約5～8次)，獲得各種二維DEI生物醫(yī)學(xué)影像共約300幅，予以半定量與定量?jī)煞N不同方法評(píng)價(jià)。
　　 對(duì)其中3個(gè)樣品的三維DEI生物醫(yī)學(xué)影像(CT像)共約360幅，僅予以半定量方法評(píng)價(jià)。
　　 1、多種類生物醫(yī)學(xué)樣品各種二維X-ray像質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果如下。
　　 1)半定量目測(cè)盲法分析結(jié)果
　

9、　 ①不同樣品采用同一Si(111)/12keV條件時(shí)
　　 各種樣品XACI像質(zhì)在各種比較中均處于明顯劣勢(shì)地位，其評(píng)分定級(jí)值均為10，遠(yuǎn)離病理標(biāo)準(zhǔn)0。相反，各類DEI(分別獲于不同信息分離方式或RC位置點(diǎn))像質(zhì)的評(píng)分定級(jí)值在1～5，大多在2～4，接近病理標(biāo)準(zhǔn)0。在各類DEI中，以表觀吸收像(Apparent Absorption Image)像質(zhì)遜色，其與病理學(xué)所見(jiàn)之間的一致性程度較差，其像質(zhì)評(píng)分結(jié)果與左側(cè)半高寬腰(the

10、Left Image of0.5FWHM)、峰位相(Peak Image)、右側(cè)半高寬像(the Right Image of0.5FWHM)和折射像(Refraction Image)相比均有顯著性差異；后4類像質(zhì)均優(yōu)良，其中以RefractionImage最佳，但其間并無(wú)顯著性。
　　 ②不同樣品采用Si(333)/15keV條件時(shí)
　　 此時(shí)，各類X-ray影像像質(zhì)情形及其比較關(guān)系同采用Si(111)/12keV條

11、件時(shí)。
　　 ③同一樣品先后分別采用Si(333)/15keV與Si(111)12keV條件時(shí)
　　 同一樣品分別采用條件Si(333)/15keV與Si(111)12keV先后2次掃描，各類DEI(分別獲于不同信息分離方式或RC位置點(diǎn))像質(zhì)差異明顯，以前一條件下所獲像質(zhì)優(yōu)良。
　　 2)多種類生物醫(yī)學(xué)樣品X-ray像質(zhì)光學(xué)定量分析結(jié)果如下。
　　 同一成像方式DEI，采用Si(333)/15keV條件下

12、，以Left Image、Peak Image、Right Image和Refraction Image分辨率優(yōu)良，其襯度分辨率多在0.15～0.8之間，空間分辨率大約＜38～87μm，Apparent Absorption Image次之。
　　 同一成像方式DEI，采用Si(111)/12keV條件下，也以Left Image、Peak Image、Right Image和Refraction Image分辨率較佳，其襯度分

13、辨率多在0.09～0.19之間，最高空間分辨率在±100μm，ApparentAbsorption Image最次。
　　 由此表明，在同一成像方式DEI內(nèi)不同成像條件下，多種類生物醫(yī)學(xué)樣品不同類別X-ray影像的襯度分辨率與空間分辨率是有明顯差異的，表現(xiàn)在當(dāng)采用Si(111)/12KeV條件成像時(shí)，不同類別DEI的影像空間分辨率與襯度分辨率均較低，而當(dāng)采用Si(333)/15KeV條件成像時(shí)均較高。
　　 像質(zhì)目測(cè)盲法

14、分析結(jié)果與光學(xué)定量分析總體結(jié)果基本一致。
　　 2 Si(111)/12KeV條件下不同類別DEI-CT像質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果
　　 其像質(zhì)目測(cè)評(píng)分不良，在Ⅵ～Ⅷ之間，與病現(xiàn)所見(jiàn)之間的一致性程度較差，未能顯示較為致密厚層的生物醫(yī)學(xué)組織樣品內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)。
　　 結(jié)論：
　　 由本實(shí)驗(yàn)研究的豐富結(jié)果可推導(dǎo)出如下結(jié)論。
　　 1、XACI不適于生物醫(yī)學(xué)輕元素軟組織及其病變微觀成像
　　 2、XPCI適于

15、生物醫(yī)學(xué)輕元素軟組織及其病變與比鄰組織微觀成像
　　 二維DEI具有顯著超乎XACI的直觀而又微觀的分辨能力，能顯示多由低Z輕元素構(gòu)成的人類眼環(huán)、肺臟、肝臟、腎臟、胃腸道、腎上腺、胰腺、脾臟、子宮、胎盤等臟器的細(xì)微正常解剖與異常病理改變，可分辨癌變及其周圍正常組織，在人體微細(xì)結(jié)構(gòu)和微小病變的直觀成像中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。
　　 3、諸多成像技術(shù)因素影響DEI像質(zhì)
　　 成像樣品的解剖與生理狀態(tài)的真實(shí)模擬是保證DE

16、I高像質(zhì)的最重要因素。
　　 樣品在采用較高指數(shù)晶體與能量如Si(333)/15keV時(shí)，可獲明顯優(yōu)質(zhì)的各類DEI(分別獲于不同信息分離方式或RC位置點(diǎn))像質(zhì)。
　　 在Si(111)/12KeV條件下掃描所獲二維DEI數(shù)據(jù)，不足以為多數(shù)生物醫(yī)學(xué)組織樣品三維DEI提供足夠重建信息。
　　 4、可部分參照XACI方法觀察DEI，同時(shí)應(yīng)格外考慮到后者相異于前者的特點(diǎn)，即DEI中的位相襯度機(jī)制。
　　 就作者所