研發基于光柵的X射線綜合成像技術瞄準國際前沿的新一代醫療影像裝備

陳志強教授早期在校攻讀博士學位期間，就師從我國實驗工業C T系統的著名專家、曾任清華大學副校長的康克軍教授進行輻射成像技術理論、成像方法與技術等領域的研究。作為骨干，參與了國家“八五”至“十五”多個攻關項目，在多項關鍵技術上取得重大突破。團隊在此及相關輻射成像核心技術攻關基礎上，在公共安全檢測領域，研制成功一系列自主知識產權高科技成果，包括海關集裝箱貨物檢查、航空安全檢查、大型裝備無損檢測系統等，并成功實現了產業化，相關產品已出口到五大洲110多個國家和地區，在核技術應用領域開辟了前景廣闊的新產業空間。

X射線輻射成像技術不僅在保障國家安全、社會安全等公共安全領域具有重要意義，其在生命安全領域的應用更是具有不可替代的重要作用。醫療發展已證實，醫學影像技術在整個疾病診療體系中的作用日益重要，沒有醫學影像技術提供的疾病信息的幫助，現代臨床治療幾乎寸步難行。然而，當前的X射線成像技術仍然存在著很大的不足，主要是這種技術基于組織衰減系數的差異進行成像，導致其對弱吸收的軟組織的分辨率非常低，因此其對很多軟組織疾病的診斷價值非常有限，比如，在乳腺癌的早期診斷中，針對我國婦女混合型、致密型的乳腺，漏診、誤診率高達約15%～20%；對于軟組織腫瘤、類風濕性關節炎、早期股骨頭壞死、外傷導致的肌腱韌帶損傷，以及肝癌、肺癌等病變組織的診斷中也很難發揮作用。

磁共振成像（MRI）具有較高的軟組織分辨率，對乳腺癌診斷的敏感性達94%～100%，對于周圍軟組織腫瘤、韌帶、肌腱等疾病的診斷，MRI幾乎是唯一的選擇。但由于MRI設備昂貴，進行M R I檢查要使用造影劑，檢查費用高，因此很難普及應用，特別是在廣大的農村、縣及中小城市中此問題顯得尤為突出，因此研發一種對軟組織病變具有很高的敏感性和特異性，而且簡單、檢查費用低廉易于推廣的影像學裝備引發了國際社會的廣泛關注。

理想的軟組織X射線新型成像技術應該具備以下特點：更高的空間分辨率和軟組織分辨能力，檢查中最大程度的減少受檢者所受的X射線輻射劑量，設備簡單，實用。國內外的相關研究人員都在積極探索和研發提高軟組織分辨率的新型成像方法。硬X射線相襯成像和暗場成像技術隨著上世紀90年代中期高亮度第三代同步輻射光源的使用而得以迅速發展。與MRI對人體離體股骨頭的成像結果相比，相襯成像技術可以非常清晰地顯示關節軟骨和骨質的病理改變，而MRI要達到相同的圖像質量至少需要5個小時的采集時間；暗場成像技術能夠看到硬X射線衰減成像和相襯成像都無法分辨到的超微細結構。然而，相襯成像技術和暗場成像技術都要求X光源具有高度的相干性，大都使用同步輻射光源或微焦點X射線機來實現。由于同步輻射裝置的造價昂貴、體積龐大，視場小；微焦點X光源亮度很低，

曝光時間很長。這些缺點極大限制了這兩種技術在醫學上的臨床應用。

目前，最具有臨床應用價值的新型X射線光柵綜合成像方法初露端倪，成為國際社會研究的熱點。它集合了X射線衰減成像、相襯成像和暗場成像三種方式為一體，可同時獲得相關的線性衰減系數、折射率和廣義散射參數的三維空間分布。這些物理性質不同的圖像信息互為補充，較為全面地展現了硬X射線與物質之間的相互作用。新型成像技術即保持了傳統X射線衰減成像技術的優點，又擁有相襯成像和暗場成像兩者的優勢，它將會在醫療影像領域引起一場更新換代的革命。

對我國而言，由于硬X射線的醫療技術多被發達國家所掌控，因此研制具有自主知識產權的硬X射線醫學影像設備意義尤為重大。陳志強教授及團隊急國家之所急，自2005年起，開始了基于同步輻射光源的衍射增強成像研究和基于微焦點光源的類同軸成像研究；2006年開始開展了基于X射線機的光柵相襯成像技術研究；2007年開始了全新的基于經典幾何光學的投影光柵相襯成像方法的研究，其間，提出了多種折射角信息提取方法和衍射增強成像CT重建算法等創新觀點，取得了多項重要研究成果。

2008年，團隊搭建了國際上第一個基于經典幾何光學投影光柵理論的X射線相襯成像實驗平臺，并展開了基于X射線機的光柵暗場成像技術的研究工作，推導出了小角散射角分布的二階矩與光強強度曲線對比度比值之間的定量數量關系。國際研究界高度評價了這一創新型成果。這些研究工作也得到了國家自然科學基金委的重要支持。

2009年，團隊在國際上首創了常規X光源條件下基于經典幾何的光學投影光柵成像理論。通過這一理論的支持，可直接使用非相干X射線照射、投影，通過相位步進可測量出光強曲線，從而直接計算出一階相移信息，這一成果是X射線光柵成像領域的一個重大突破。相關研究成果發表在APL、PMB、TMI等重要核心期刊上。同年，陳志強教授還作為大會主席，成功組織召開了“第十屆放射成像和核醫學全三維圖像重建國際會議（Fully3D）”，來自全球多個國家的180余位學者及專家參加了會議。

2010年，團隊首次提出了X射線光柵成像的源光柵步進技術，這一新方法可以降低光柵步進的精度達一個量級，使得X射線光柵相襯成像臨床應用的實現難度大大降低。這一新技術的提出得到了國際研究界的一致認可。其研究成果發表在《0ptics Express》上，并申請了發明專利。同年，團隊正式確立了非相干條件下基于經典光學原理的X射線光柵綜合成像技術的理論基礎。2011年，團隊在自己的實驗平臺上獲得了國內首張基于經典幾何的光學投影X射線光柵衰減—相襯—暗場圖像，相關研究成果第一時間發表在NIMA上。這一圖像首次揭示了紅豆和綠豆在衰減、相襯和暗場圖像中所展現得到的不同特性，引起了國際研究界的極大關注。

目前，團隊在常規X光源光柵成像研究領域已取得了—系列具有自主知識產權的原創成果，研究工作居于國內領先水平，得到了業界同行的廣泛關注。2012年，國家自然科學基金也將該項研究列入基金重點資助項目。該項目現進展順利，已取得了重要的階段性成果。

研制具有我國自主知識產權的硬X射線醫學影像設備，打破發達國家的技術封鎖是一項艱巨而意義深遠的戰略使命。機遇與挑戰并存，陳志強教授將帶領自己的團隊一如既往只爭朝夕，不懈求索，努力開創我國醫學影像技術發展的新局面。

專家簡介：

陳志強，教授，博士，江蘇常州人，1971年1月生，1994年7月畢業于清華大學工程物理系獲學士學位，1999年3月于清華大學工程物理系獲博士學位，同年留校任教。現任現任清華大學工程物理系核技術研究所所長，清華大學公共安全協同創新中心副主任。兼任中國體視學學會常務理事，中國同位素與輻射行業協會常務理事，國家公共安全基礎標準化技術委員會（SAC/TC315）委員等。

主要從事粒子技術與輻射成像研究，在輻射成像系統關鍵物理設計、X射線圖像數據的獲取校正、快速重建以及X射線C T成像等方面開展了卓有成效的研究工作。曾作為主要技術骨干和產業化相關負責人之一，在國家“八五”“九五”“十五”等攻關項目中成功解決了多項關鍵技術難題，推動了科研成果的順利轉化。近5年，作為項目負責人，主持有國家自然科學基金重點項目1項，國家科技部“十一五”科技支撐計劃1項、科技部重大科學儀器專項1項。發表學術論文超過100篇，其中，SCI收錄53篇，EI收錄113篇；申請國際和國內發明專利50余項。

近年來，獲國家科技進步獎一等獎1項，中國專利金獎3項，北京市發明專利特等獎1項，其他省部級獎勵多項。并榮獲北京市“科技新星”、教育部“新世世紀優秀人才”、“科技北京”百名領軍人才等榮譽稱號。