小鼠肝臟樣本在不同狀態下的相位襯度成像及三維重建

張璐，李冬月，石宏理，羅述謙

首都醫科大學生物醫學工程學院，北京，100069

自1895年倫琴發現X射線以來，這種成像技術在醫學領域得到了廣泛的應用。但這種成像方法仍然受到一些限制，例如對軟組織成像分辨率較差，有時還必須借助造影劑。近年來發展起來的基于同步輻射的相位襯度成像，有望解決這一問題[1]。相位襯度成像利用射線穿過物體過程中的相位信息改變，觀察物體的內部細節。它最大的特點是對吸收射線弱的組織成像效果好，襯度高，與傳統基于吸收的X射線成像相比，分辨率可提高近1000倍之多[2]。90年代中期以后，國際上陸續開始了相位襯度成像的實驗。國內外的科學家利用相位襯度成像，成功地實現了各種射線吸收弱組織的可視化，如肌肉、軟骨、韌帶和神經等[3,4]。在不使用造影劑的情況下，這種技術可以分辨直徑十幾微米的血管。在射線高能段，物體對X 射線的吸收劑量較低，由于相位襯度依賴于X 射線的相干散射，而不是吸收，因此可以在較高能段成像，這就降低了射線對組織的潛在損傷[5]。

當前國際上使用最多的相位襯度成像方法有四種：X射線干涉儀法、衍射增強法、類同軸法和近些年發展起來的光柵相位成像。其中類同軸成像法是基于菲涅耳衍射的原理，利用空間相干X射線束在位相突變處的邊界發生菲涅爾衍射，最早由歐洲同步輻射裝置（ESRF）的Snigirev科研小組和澳大利亞的Wilkins小組獲得[6-7]樣品的輪廓像，而后即被廣泛應用。相比于已有的幾種成像方法，類同軸方法使用的成像設備簡單，因此有可能用于臨床。

肝臟是一個實質性器官，只有通過影像學手段，才能觀察到其內部的結構。作為人體體積最大、生理功能最重要的器官之一，肝臟具有極其復雜的管道系統。肝靜脈系、門靜脈系及肝后段下腔靜脈的解剖結構交錯重疊，給外科手術和血管介入帶來很多困難[8]。使用相位襯度成像這種高分辨而又無創的成像方式來觀察肝臟結構，具有重要的臨床意義。

1 材料與方法

1.1 樣品的制備

采用正常清潔級KM小鼠（由首都醫科大學動物實驗部提供）。經4%水合氯醛麻醉后，開腹取出肝臟，立即放于福爾馬林溶液中固定。成像樣本為4 mm*6 mm*3 mm大小的一塊肝組織。

1.2 類同軸實驗裝置及成像方法

類同軸成像實驗是在上海光源X射線成像及生物醫學應用光束站線BL13W1上完成的（圖1），其光子的能量范圍為8～72.5 kev。成像設備示意圖如圖2所示，同步輻射光線照射單色晶體，被單色化后，與樣品作用，在各組織面發生菲涅耳衍射，出射光線攜帶著樣品的相位信息被探測器接收，通過調節探測器與樣品臺的距離得到清晰的相位襯度圖像。本實驗射線能量調節在16 kev，樣品臺與探測器之間的距離為1.2 m。探測器使用分辨率為13 mm的CCD攝像頭。所有圖像的曝光時間均為6 ms。CT掃描時，樣本在轉臺上以1.5o/s的速度旋轉180°。

圖1 BL13W1實驗裝置Fig.1 Photograph of the BL13W1 imaging system

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 The schematic of experiment setup

2 結果

2.1 不同狀態小鼠肝臟成像

圖3分別為同一肝臟樣本浸泡在福爾馬林溶液中、從溶液中取出濕潤狀態時以及干燥時所獲得的相位襯度圖像。3幅圖像都經過除背景的處理，以去掉背景噪聲。方法是拍攝樣品圖像后，馬上拍攝背景圖像，然后將兩幅圖像相除，圖像中的背景就被去掉了。在圖3（a）中，基本看不到肝臟的任何結構。圖3（b）為從福爾馬林中取出拍攝的濕潤樣本的圖像，這時肝臟血管的結構基本清晰了。圖3(c）為干燥20分鐘后拍攝的樣本圖像，從圖中可以直觀地看出干燥后的血管成像更清晰，并且血管更豐富。圖3（d）是圖3（c）中矩形框部分的放大圖，箭頭所指的細小血管在圖3（b）中沒有顯示出來。

圖3 小鼠肝臟相位襯度圖像(a) 樣品置于福爾馬林溶液中成像； (b) 樣品濕潤狀態時成像；(c) 樣品干燥狀態成像； (d) 圖(c)中矩形框的放大像Fig.3 Phase contrast images of mouse liver(a) Phase contrast image of sample in formalin; (b) Phase contrast image of wet sample; (c) Phase contrast image of dry sample; (d) Enlarged view of the rectangle in (c)

2.2 三維重建結果

對干燥樣本共拍攝1490張投影圖像，使用濾波反投影方法進行斷層重建。圖4顯示的是重建出的一張斷層像。使用表面繪制得到的小鼠肝臟血管三維重建結果圖5所示，圖中的兩組血管分別是肝靜脈和肝內門靜脈[9,10]，文中使用兩種不同的顏色分別顯示。圖中能看到肝臟血管的7級分支，最細的血管直徑在40 mm左右，可以在三維空間的任意角度對血管進行觀察。

圖4 一張小鼠肝臟血管斷層像Fig.4 One slice tomography image of mouse liver sample

3 結論與討論

肝臟作為人體最復雜的實質性器官之一，其內部復雜的管道系統和解剖結構決定了肝臟手術的難度。雖然傳統CT能夠得到肝臟二維斷層圖像，但前提是使用血管造影劑，這不僅是一種有創性檢查，有些病人更因為對造影劑過敏而不能接受檢查。MRI檢查雖然可以成像軟組織，但在圖像的分辨率上受到限制。對于二維斷層圖像，醫生們只能通過經驗和想象去構思血管和病灶的空間關系，這為精密的外科手術增加了難度。本研究通過相位襯度成像技術，在三維空間顯示小鼠肝靜脈和門靜脈，并且能夠顯示其7級分支，有助于對肝臟的解剖結構研究和臨床診斷治療。

圖5 小鼠肝臟血管三維重建Fig.5 Three-dimensional reconstruction of mouse liver blood vessel

當肝臟樣品處于不同狀態時，相位襯度成像的效果也不同。我們發現，當成像樣品浸泡在福爾馬林溶液中時，成像效果很差。分析其原因在于福爾馬林的折射率與肝臟折射率相似，而相位襯度成像的成像機制是光線相位信息。相似折射率的組織邊界光線不能產生足夠的偏折，因此不能被觀察到。對濕潤和干燥樣本的成像也說明了這點。濕潤樣本中大血管中已經不再充滿液體，因此能夠顯像，而細小的血管中還有液體，所以未能顯像。

本文通過同步輻射類同軸相位襯度成像，對小鼠肝臟樣本進行分析，發現干燥的小鼠肝臟樣本最適宜于進行相位襯度成像。通過濾波反投影算法，成功地得到了樣本二維斷層圖像，使用表面繪制方法，重構肝臟血管的三維模型，真實再現了肝臟血管之間復雜的空間毗鄰關系，不僅可顯示肝臟的大血管，而且能顯示其多級分支，為解肝臟血管系統的精細結構提供了幫助。

致謝：上海光源BL13W1站線的肖體喬、謝紅蘭、鄧彪、杜國浩、薛艷玲等老師和工作人員在相位襯度成像實驗中熱心幫助和指導，在此一并感謝。

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