人離體乳腺癌腫瘤新生血管的同步輻射成像實驗研究

李瑞敏，張 汐，王升平，彭衛軍，吳 炅

1. 復旦大學附屬腫瘤醫院放射診斷科，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海 200032；2. 復旦大學附屬腫瘤醫院乳腺外科，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海 200032

人離體乳腺癌腫瘤新生血管的同步輻射成像實驗研究

李瑞敏1，張 汐1，王升平1，彭衛軍1，吳 炅2

1. 復旦大學附屬腫瘤醫院放射診斷科，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海 200032；2. 復旦大學附屬腫瘤醫院乳腺外科，復旦大學上海醫學院腫瘤學系，上海 200032

目的：探討同步輻射類同軸相襯成像在人乳腺癌離體標本中的應用。方法：12例乳腺癌標本經4%甲醛溶液固定后，在上海同步輻射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）X線成像與生物醫學應用光束線站（BL13W）上進行同步輻射類同軸相位襯度二維及三維成像，最后行病理學及免疫組化檢查，將所得影像學資料與病理學資料進行對比研究。結果：物像距為100 cm、能量為13 keV時，圖像具有較高的空間分辨率和襯度分辨率。類同軸相位襯度二維及三維成像均可在無對比劑條件下清晰顯示腫瘤新生血管，最小腫瘤血管直徑約9 μm。結論：同步輻射類同軸相位襯度成像可檢測人乳腺癌標本中的腫瘤新生血管，清晰觀察腫瘤血管的形態特征和空間分布，為研究腫瘤新生血管的形成機制及各種干預或治療措施對腫瘤血管的影響提供了檢測和監測方法，具有很高的醫學應用價值。

乳腺癌；血管生成；同步輻射類同軸相位襯度成像

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，而腫瘤新生血管的生成、生長是腫瘤發生、發展和轉移的必要條件［1］。早期檢測并全程監測腫瘤新生血管的變化對乳腺癌的檢出與治療有重要意義。但目前傳統影像學技術在顯示腫瘤新生血管方面還存在一定的局限性，尚不能顯示直徑＜200 μm的細小血管［2］，而腫瘤新生血管的直徑約為10 μm，因此迄需一種新型成像技術，用以觀察和分析腫瘤新生血管的形態、結構和分布特征。

同步輻射相襯成像是基于入射光在不同密度組織中的相位變化差異，其對軟組織的分辨率較傳統X線吸收成像提高1 000倍，可清晰顯示軟組織之間（如血管、韌帶等）的細微差異。同步輻射相襯成像主要包括類同軸相襯成像、衍射增強成像、干涉法成像和光柵相位成像4種。其中，類同軸相襯成像具有成像原理簡單、軟組織分辨率高、圖像與傳統圖像相似、易于理解和判讀等優點。本研究旨在利用同步輻射類同軸相襯技術對人乳腺癌標本進行成像，觀察乳腺癌腫瘤新生血管的形態和分布。

1 資料和方法

1.1 標本選取

選取2011年9月—2014年9月復旦大學附屬腫瘤醫院乳腺外科切除的標本12份，均經患者知情同意并滿足臨床病理診斷后取得，單個標本大小約10 mm×5 mm×3 mm，標本切取后即刻放入4%甲醛溶液進行固定并準備成像。本研究通過復旦大學附屬腫瘤醫院倫理委員會批準。

1.2 同步輻射成像

標本在第3代上海同步輻射光源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF） X線成像與生物醫學應用光束線站 （BL13W）上進行。其光子能量范圍為8～72.5 keV，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，出射光線攜帶的樣品相位信息被探測器接收后，通過調節探測器與樣品臺的距離及射線能量獲得清晰的相位襯度圖像。本研究選用高分辨率CCD探測器，像素9 μm×9 μm。物像距分別選取5 cm、20 cm、60 cm、100 cm、120 cm，單色光能量分別設置為8 keV、10 keV、13 keV、16 keV、19 keV，對比不同參數情況下獲得的圖像清晰度和分辨率，最后選擇最佳成像參數。曝光時間根據樣品厚度和密度而自動調節。CT掃描時，樣本在轉臺上以0.25°/s的速度旋轉180°，總投影數為1 200幀。

1.3 圖像重建與圖像后處理

攝片結束后對圖像進行減影處理，先將投影圖像減去相同成像條件的背景圖像，然后用IDL7.0 ［ITT Visual Information Solutions （ITT VIS）］編寫的平行束濾波反投影重建算法重建獲得24位斷層圖像，最后用軟件Amira 4.1 （Mercury Computer Systems， USA）進行三維重建。

1.4 影像學評價

血管直徑的測量使用NIH Image J Program （version 1.37）。在圖像的每一象限各選擇兩條較細的血管，由兩名醫師分別測量，每一組最細的血管被用來與另一組最細的血管進行比較。兩名測量者共認的最細血管的平均值作為最細血管。

1.5 病理學分析

成像結束后，所有標本經4%甲醛溶液固定，石蠟包埋，4 μm連續切片，進行常規蘇木素-伊紅（Haematoxylin-Eosin，HE）染色及免疫組化染色［CD34及血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）］。

2 結 果

2.1 一般結果

12例標本中，11例可見腫瘤新生血管；1例僅見軟組織密度影，未見腫瘤新生血管。

2.2 成像參數的確立

物像距：由于機器部件構造的因素，最小物像距為5 cm，相當于傳統X線吸收成像，軟組織及腫瘤中的鈣化顯示均較模糊。隨著物像距增加，圖像分辨率也逐漸增加，物像距為100 cm時所獲得的圖像顯示腫瘤與正常組織邊界、腫瘤內部的不均質結構及微鈣化等細節非常清楚。但當物像距≥120 cm時，圖像質量開始下降。成像能量：能量為8 keV時圖像較暗，隨著能量增加，圖像本底明亮度增加，但襯度降低。對5種不同能量進行對比分析，認為能量為13 keV時圖像亮度及襯度較為理想。曝光時間：根據樣品厚度和密度不同，曝光時間也不同，系統在成像過程中根據探測器記錄到的像素灰度值自動調整曝光時間，本研究中為5～25 ms。

2.3 腫瘤新生血管的檢出

在物像距為100 cm、能量為13 keV的成像條件下，二維相襯成像可清晰顯示乳腺癌標本內的腫瘤新生血管（圖1～2）。腫瘤新生血管呈藤蔓狀分布于腫瘤的周邊區，管徑粗細不一，走行雜亂無章，最細的腫瘤新生血管直徑約9 μm。類同軸相位襯度CT成像可三維立體顯示腫瘤內部雜亂無章的腫瘤新生血管（圖3），可見腫瘤新生血管主要分布于腫瘤周邊區域，而腫瘤中心區血管較少。

圖 1 乳腺癌標本內的腫瘤新生血管同步輻射類同軸相襯成像及VEGF免疫組化檢查

圖 2 乳腺癌標本內的腫瘤新生血管同步輻射類同軸相襯成像

圖 3 類同軸相位襯度CT成像

2.4 病理學分析

HE染色可見正常組織與癌組織分界清楚，部分癌巢中可見囊變壞死，腫瘤間質中彌漫多發裂隙狀的腫瘤新生血管。CD34及VEGF染色可見多發深染顆粒散在分布（圖1），形態和排列具有明顯不均一性，形態失常，多為條索狀，部分聚集成管腔樣結構，管腔粗細不一。

3 討 論

12份標本中，11份可見腫瘤新生血管；1份未見腫瘤新生血管，分析該標本發現大部分為正常組織，僅邊緣有少量腫瘤組織存在，可能原因是該病例腫塊較小，取材時偏離腫塊中心，導致取材主要為癌旁組織，癌巢呈點灶狀散布于正常組織間，尚未見成熟的腫瘤新生血管形成。

類同軸相位襯度成像的成像條件確定非常重要。物像距是影響圖像質量的一個非常重要的參數［3］。根據小孔成像的原理，光源與樣品的距離固定時，物像距越大，空間分辨率越低；另一方面，物像距越大，圖像的襯度越高。本研究中物像距為5 cm或20 cm時，圖像模糊，細節顯示不夠清楚，襯度分辨率不高。而物像距為60 cm、100 cm及120 cm時，圖像質量明顯提高，樣品中的腫瘤組織、正常組織及兩者邊界顯示非常清楚，三者圖像襯度分辨率無明顯差異。但當物像距≥120 cm時，有效空間分辨率受到一定限制，＜10 μm的血管無法顯示。因此，本研究選擇了既能保證適當高襯度分辨率，又不損失空間分辨率的100 cm作為物像距。圖像襯度與能量成反比，能量越低圖像襯度越高［4］。但能量太低時，對于部分較厚的標本，光線穿透不夠，易造成圖像本底較為黑暗，不利于病灶細微結構的顯示。能量為13 keV時圖像襯度最理想。

腫瘤新生血管生成對實體腫瘤的發生、發展起重要作用［5-6］，實體腫瘤的生長和轉移依賴新生血管的形成。但目前傳統影像學技術只能分辨直徑＞200 μm的血管，且在應用對比劑的條件下才能使血管顯影［7］。本研究利用類同軸相位襯度成像技術，在不應用對比劑的情況下成功獲得微米級的乳腺腫瘤新生血管，能清晰顯示最小直徑約9 μm的腫瘤血管。本研究檢出的最細血管直徑明顯小于其他研究所能顯示的最小直徑，可能與X線相位漂移的特性有關［8-9］。X線相位漂移與物體比重有一定的相關性，血液中紅細胞內的血紅蛋白含有大量鐵原子，其比重與周圍組織不同，可導致相位襯度發生很大的改變。而本研究選取的是臨床上新鮮的乳腺癌標本，手術取出后立即放入甲醛溶液中固定，保證了腫瘤血管內的血液能及時固定下來而不會被其他物質影響，從而真實反映腫瘤新生血管的狀態。

本研究的優勢為在無對比劑情況下即可實現腫瘤新生血管的成像，避免使用碘造影劑帶來的各種毒副作用，為以后臨床不用對比劑即可進行血管成像提供了一定的思路。同時，類同軸相位襯度成像主要依賴X線的折射作用［10］，與X線的吸收無關，可明顯減少人體吸收的輻射劑量。最后，同步輻射類同軸相位襯度成像對腫瘤新生血管的顯示，可用來觀察早期腫瘤微血管生成及抗腫瘤新生血管治療的療效，具有很高的醫學應用價值。總之，同步輻射成像在乳腺疾病診斷和治療中有著廣闊的應用前景。

致謝：上海光源BL13W線站的肖體喬、謝紅蘭、付亞楠等老師在本實驗中的幫助和指導，在此一并感謝。

［1］ OLIVO A， RIGON L， VINNICOMBE S J，et al. Phase contrast imaging of breast tumours with synchrotron radiation ［J］. Appl Radiat Isot， 2009，67（6）： 1033-1041.

［2］ TAKEDA T， MOMOSE A， HIRANO K， et al. Human carcinoma： early experience with phase-contrast X-ray CT with synchrotron radiation-comparative specimen study with optical microscopy ［J］. Radiology， 2012，214（1）： 298-301.

［3］ BECKMANN F， HEISE K， KOLSCH B， et al. Threedimensional imaging of nerve tissue by X-ray phasecontrast microtomography ［J］. Biophys J， 2012， 76： 98-102.

［4］ XI Y， ZHAO J. Inner-focusing reconstruction method for grating-based phase-contrast CT ［J］. Opt Express， 2013， 21（5）： 6224-6232.

［5］ ZHANG X I， YANG X R， CHEN Y， et al. Visualising liver fibrosis by phase-contrast X-ray imaging in common bile duct ligated mice ［J］. Eur Radiol， 2013，23（2）： 417-423.

［6］ VEDANTHAM S， KARELLAS A. X-ray phase contrast imaging of the breast： Analysis of tissue simulating materials ［J］. Med Phys， 2013， 40（4）： 041906.

［7］ 張汐， 陳紹亮， 楊欣榮， 等. 同步輻射相位對比X線成像技術的初步研究 ［J］. 中國放射醫學與防護雜志， 2009，329（3）： 317-320.

［8］ ANTONIASSI M， CONCEICAO A L， POLETTI M E. Study of electron densities of normal and neoplastic human breast tissues by Compton scattering using synchrotron radiation ［J］. Appl Radiat Isot， 2012， 70（7）：1351-1354.

［9］ GRANDL S， WILLNER M， HERZEN J， et al. Evaluation of phase-contrast CT of breast tissue at conventional X-ray sources-presentation of selected findings ［J］. Z Med Phys， 2013， 23（3）： 212-221.

［10］ METTIVIER G， FEDON C， DI LILLO F， et al. Glandular dose in breast computed tomography with synchrotron radiation ［J］. Phys Med Biol， 2016， 61（2）：569-587.

Visualization of angiogenesis by synchrotron radiation in human breast cancer

LI Ruimin1， ZHANG Xi1， WANG Shengping1， PENG Weijun1， WU Jiong2
（1.Department of Radiology， Fudan University Shanghai Cancer Center；Department of Oncology， Shanghai Medical College， Fudan University， Shanghai 200032， China； 2.Department of Breast Surgery， Fudan University Shanghai Cancer Center； Department of Oncology， Shanghai Medical College， Fudan University， Shanghai 200032， China）

Correspondence to： PENG Weijun E-mail： cjr.pengweijun@vip.163.com

Objective： To evaluate the application of synchrotron radiation （SR） in-line X-ray phase-contrast imaging in human breast cancer. Methods： Twelve excised human breast specimens were studied. Monochromatic SR X-ray in-line phasecontrast images were obtained at the beamline BL13W of Shanghai Synchrotron Radiation Facility （SSRF） in China with the energy of 13 keV and the distances of 100 cm. Meanwhile， the three-dimensional images were processed. Finally， the pathology results were confirmed. Results： The images obtained with SR had higher contrast and better resolution. The angiogenesis of the breast cancer was obtained for the first time with no contrast agents， and the minimal tumor blood vessel was about 9 μm in diameter. Conclusion：SR in-line X-ray phase-contrast imaging can detect the angiogenesis of human breast cancer， and clearly display the morphological characteristics and spatial distribution of tumor blood vessels. It provides a method to study the mechanism of tumor angiogenesis and the effects of various interventions or treatments on tumor angiogenesis. It would be a great potential diagnostic tool in clinical application in the future.

Breast cancer； Angiogenesis； Synchrotron radiation in-line X ray phase-contrast imaging

R445.4

A

1008-617X（2016）02-0156-04

國家973計劃項目（No：2010CB834305）；國家自然科學基金（No：11235007，No：81371550，No：81272446，No：81172073）

彭衛軍 E-mail：cjr.pengweijun@vip.163.com

2016-05-10

2016-06-11）