基于X射線相位襯度的人耳解剖結構成像

石宏理，王 杰，羅述謙

1 首都醫科大學生物醫學工程學院，北京，100069

2 首都醫科大學附屬北京同仁醫院耳鼻咽喉外科，北京，100730

基于X射線相位襯度的人耳解剖結構成像

【作 者】石宏理1，王 杰2，羅述謙1

1 首都醫科大學生物醫學工程學院，北京，100069

2 首都醫科大學附屬北京同仁醫院耳鼻咽喉外科，北京，100730

基于相位襯度的CT技術應用于聽覺系統成像，得到了包含豐富細節信息的中耳三維解剖結構。

人耳解剖結構；鼓膜修補；人工耳蝸；X射線；相位襯度成像。

0 引言

人耳包括外耳、中耳和內耳三部分。由于位覺感受器也位于內耳，因此人耳可聲音感知和運動狀態感知，又叫位聽器。外耳道是一條自外耳門至鼓膜的彎曲管道，由軟骨和骨質構成。外耳道與中耳以鼓膜為界。鼓膜為半透明的薄膜，呈淺漏斗狀，凹面向外，邊緣固定在骨質腔上。經過外耳道傳來的聲波，能引起鼓膜的振動。中耳的主要組成部分是三塊聽小骨：錘骨、砧骨和鐙骨，鐙骨的底板附著在內耳的卵圓窗上。三塊聽小骨之間由韌帶和關節銜接，組成為聽骨鏈。鼓膜的振動可以通過聽骨鏈傳到卵圓窗，引起內耳里淋巴的振動[1]。

一般將內耳分為前庭、半規管和耳蝸三部分，具體結構各文獻報道有差異，尚未有統一結論。由結構復雜的彎曲管道組成，所以又叫迷路，由骨迷路和膜迷路構成。骨迷路由致密骨質圍成，是位于顳骨巖部內曲折而不規則的骨性隧道。膜迷路是套在骨迷路內的一封閉的膜性囊。膜迷路內充滿內淋巴液，骨迷路和膜迷路之間的腔隙內被外淋巴液填充，且內、外淋巴液互不相通。前庭和半規管是位覺感受器的所在。耳蝸是聽覺感受器的所在。鼓膜的振動引起三塊聽小骨的同樣頻率的振動。振動傳導到聽小骨以后，由于聽骨鏈的作用，大大加強了振動力量，起到了擴音的作用。聽骨鏈的振動引起耳蝸內淋巴液的振動，刺激內耳的聽覺感受器，興奮后所產生的神經沖動沿位聽神經中的耳蝸神經傳到大腦皮層的聽覺中樞，產生聽覺[2]。

臨床中比較常見的聽覺障礙是鼓膜穿孔或耳蝸中毛細胞損傷所至。鼓膜具有一定的彈性和韌性，在正常的情況下不容易損傷、穿孔。直接原因多見于頭部受外傷，合并顳骨骨折損傷鼓膜，或者反復中耳炎會使鼓膜穿孔增大、中耳粘連硬化，造成鼓膜穿孔。鼓膜穿孔最好的治療方法是鼓膜修補[3]，它不僅可提高聽力，還可重新建立一道屏障，防止中耳炎反復發作。鼓膜修補的方法有手術及燒灼兩種。燒灼方法無須開刀，簡便易行，但受條件限制較多。手術方法是在耳內或耳后開刀，取自體組織植入鼓膜位置，多取自身的骨膜、靜脈或顳肌筋膜。但植入體的尺寸大小，如面積和薄厚，對恢復正常聽力影響很大，需要準確得到中耳的結構，并建立準確的中耳有限元模型。

80%以上的重度或極重度耳聾是耳蝸中毛細胞損傷所至。人工耳蝸植入是目前應用于臨床治療雙側重度或極重度感音神經性耳聾的唯一方法[4]。人工耳蝸的工作原理是通過人工耳蝸裝置，將語言聲音信號轉換成電信號（替代了缺損毛細胞的功能）直接刺激聽神經，使患者重獲聽覺功能。人工耳蝸裝置包括體外裝置和體內植入裝置兩部分，體外裝置采集語音信號并轉換為電信號，電信號經過特殊的數字化處理，按照特定的語音處理策略編碼，通過載在耳后的無線發射線圈傳送到體內植入裝置；體內植入裝置的接收線圈接收到信號后，經過解碼芯片解碼，使植入耳蝸的電極陣列產生具有聲音特征的電流，直接刺激聽神經產生聽覺。人耳耳蝸研究的關鍵技術之一是聽覺仿聲機制，即耳蝸的感音過程和機理。精確的人耳組織形態結構在理解聽覺形成機制、聽覺系統建模、語音識別和處理等很多方面都有著很重要的應用，是研究耳蝸的感音過程和機理的關鍵。這一切均依賴于人耳解剖結構在微米級上的結構成像。在臨床中，除可以根據中耳有限元模型提高鼓膜修補手術效果外，其應用價值還包括三個方面：研究中耳生理、病理傳聲特性；輔助設計人工聽小骨等。

但軟組織的X射線吸收率很低，吸收襯度很小，無法表現組織內部結構。因此通常的CT成像不能建立人耳的三維解剖結構。由此必須尋找新的成像方法，以解決以精細結構和低吸收組織為特點的人耳結構成像。近年來，X射線相位襯度成像方法的研究和應用發展迅速，理論和技術均在不斷的更新。從成像機理看，X射線相襯成像利用弱吸收組織相位變化比吸收變化敏感得多的特點，反應X射線與物質作用時產生的多種效應(散射、折射、吸收等)，將這些效應轉變為強度變化，在成像裝置上形成圖像。從實驗技術上看，獲得X射線相位信息的方法主要有干涉法[5]、衍射增強法[6]和同軸(inline)法[7]3種。同軸法由于裝置簡單和操作方便，用于臨床備受關注。1995年前后，澳大利亞科學家Wilkins領導的研究小組和法國歐洲同步輻射加速器裝置(ESRF)的科學家們分別采用微聚焦點光源[8,9]和同步輻射裝置[10,11]，應用同軸方法得到了X射線相位襯度圖像。采用同步輻射裝置作為光源的相位襯度計算機X射線斷層攝影術的研究Andrei V Bronnikov等也已經取得了很大的進展[14-16]。近幾年，國內的X射線相位襯度成像研究也取得了較好的進展[12,13]。已有數家單位建有同步輻射裝置，其中上海光源 ( Shanghai Synchrotron Radiation facility，SSRF)[17]是一臺高性能的第三代同步輻射光源。下面介紹采用上海光源和同軸法拍攝人耳結構的成像過程。

1 實驗設備、實驗過程和結果

1.1 實驗設備

上海光源的BL13w1（X射線成像及生物醫學應用）線站成像，試驗臺如圖1所示。

1.2 樣本的制備

取人耳的中耳部分，去除外圍的無關組織，切割研磨為大小約為1.5×1.5×3 cm的標本，在4%的甲醛溶液(formalin)中保存，在成像半小時前取出，并用棉球吸干水分，將樣品置于透明的塑料薄膜中。成像時，沿外耳道方向水平置于樣品架上，設法固定。

1.3 實驗過程

將樣本在上海光源的BL13w1（X射線成像及生物醫學應用）線站成像。攝像系統分辨率約為11μm，能量約為15 KeV。CT成像時共拍攝1000余幅圖像，最后在BL13w1線站的工作站上通過重建得到350余幅斷層圖像，其中部分圖像如圖2所示。

圖1 試驗臺Fig.1 The test-bed

圖2 中耳的不同斷層Fig.2 The slices of middle ear

1.4 3D重建結果

通過Amira軟件，將斷層圖像重建為三維圖像，部分斷面（視角）的圖像如圖3所示。

1.5 結果分析

結果表明，對于人耳軟組織等弱吸收或吸收差異很小的樣品，利用相位襯度X射線成像能夠得到比傳統的吸收襯度成像高質量的圖像，如從圖2、3中可以分辨出鼓膜、中耳關節及其韌帶等精細結構.這對于一般用CT或MRI成像是不可能獲得的。這些結構信息為建立中耳有限元模型提供基礎。中耳有限元模型的臨床應用價值非常重要，概括起來主要包括三個方面：研究中耳生理、病理傳聲特性；提高聽力重建手術效果；輔助設計人工聽小骨。

圖3 中耳的3D重構結構Fig.3 The three-dimensional reconstructed structure of middle ear

2 結論和展望

本次在上海光源的實驗，由于設備剛完成調試，安排的機時比較少，用于完成人耳成像的時間比較少，因此選用的X射線CCD分辨率較低，成像的范圍比較小。但結果仍然表明，對于弱吸收和吸收差異很小的生物體軟組織，或組織結構非常精細的器官，利用相位襯度X射線成像是非常有效的方法，能夠得到比傳統吸收襯度成像無法得到的圖像。在以后的實驗方案中，我們將進一步實現對中耳內耳成像，著重對內耳成像。為了獲得更加清晰的重建圖像,我們將采取改進實驗樣本，采用高分辨力的X射線CCD（上海光源有分辨率更高的X射線CCD），優化相位重建算法等措施，加快X射線相襯成像在臨床中的應用步伐。

致謝：

感謝中國科學院上海光源BL13w1（X射線成像及生物醫學應用）線站成像的工作人員，特別是肖體喬研究員和鄧彪、杜國浩博士等，在實驗數據采集和處理方面給予的大力支持和幫助。

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[17] http://ssrf.sinap.ac.cn/1/jianjie.htm [OL].

The Human Ear Anatomical Structure Imaging Based on X-Ray Phase-Contrast

【 Writers 】Hongli Shi1, Jie Wang2, Shuqian Luo1
1 School of Biomedical engineering ,Capital Medical University, Beijing, 100069
2 Beijing Tongren Hospital af fi liated to Capital Medical University ,Beijing, 100730

ear anatomic structure, eardrum repair, cochlear implant, X-ray, Phase-Contrast imaging.

R318.1

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.002

1671-7104(2010)06-0396-03

2010-07-05

國家自然科學重點基金項目(60532090)、國家自然科學基金(60972156)、北京市自然科學基金(4102017)。

通行作者：羅述謙，shuqian_luo@yahoo.com.cn

【 Abstract 】In this paper, the ear anatomic structure imaging is implemented based on X-Ray Phase-Contrast CT. The results of experimentation demonstrate the ef fi ciency of the proposed scheme.