同步輻射在血管成像上的應(yīng)用

呂若楠，彭屹峰

（上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬普陀醫(yī)院，上海 200062）

X線、MRI、CT、單光子及正電子發(fā)射CT和超聲技術(shù)被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于臨床，然而隨著臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展及需求的提高，作為以吸收襯度為基礎(chǔ)的這種基本成像機(jī)制無(wú)法滿足臨床需求，尤其是對(duì)于密度差異較小的以輕元素為主的組織，如軟組織。而同步輻射依靠其光源的優(yōu)點(diǎn)及相位襯度為基礎(chǔ)的成像機(jī)制帶來(lái)成像新進(jìn)展。相位襯度成像與計(jì)算機(jī)斷層掃描相結(jié)合形成X射線相位襯度微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，其分辨力和清晰度得到極大提高，能滿足醫(yī)師從三維的角度來(lái)觀察生物和人活體器官的需求，分辨力可達(dá)到微米水平。因此，研究同步輻射光源在醫(yī)學(xué)成像上的應(yīng)用具有重大臨床意義。

1 同步輻射的成像優(yōu)點(diǎn)

同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場(chǎng)中沿弧形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)放出的電磁輻射，由于其是在同步加速器上首次被觀察到，因此被稱為“同步輻射”［1］。同步輻射X線成像與傳統(tǒng)成像模式的區(qū)別在于其具有高亮度、寬波段和較好的空間相干性等特點(diǎn)。①同步輻射X射線從同步輻射裝置產(chǎn)生，其亮度要比傳統(tǒng)裝置高5～6個(gè)數(shù)量級(jí)，應(yīng)用了“扭擺器”等高級(jí)插入件的第三代光源亮度更是高達(dá)12個(gè)數(shù)量級(jí)［1］。同步輻射的高亮度能極大降低血管造影或DSA對(duì)比劑的量，因此，可使用更安全的靜脈對(duì)比劑。②同步輻射能產(chǎn)生一個(gè)從紅外線、可見(jiàn)光到硬X線的連續(xù)范圍光譜，橫跨4～5個(gè)數(shù)量級(jí)，可根據(jù)所進(jìn)行生物品分析的需求調(diào)出光譜適用波長(zhǎng)的光。③衍射成像和干涉成像也能通過(guò)同步輻射較好的空間相干特性得以實(shí)現(xiàn)。

2 主要的X線相位襯度成像技術(shù)

X線相位襯度成像技術(shù)主要分為4大類：同軸相位襯度成像、衍射增強(qiáng)成像、干涉法成像和光柵干涉成像。①同軸相位襯度成像無(wú)需構(gòu)建復(fù)雜的光路，僅需一個(gè)滿足空間相干性要求的X射線源，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求調(diào)整樣品到探測(cè)器的距離就能實(shí)現(xiàn)相襯成像。②衍射增強(qiáng)成像是利用物體與探測(cè)器之間的晶體單色儀和分析晶體產(chǎn)生的準(zhǔn)直X射線束，在這種方法中，入射的單色X射線穿過(guò)物體，由于物體中存在折射率梯度，可能發(fā)生折射，從而使透射光、折射光和散射光分開(kāi)得到高分辨力圖像［2］。③干涉法是一種直接的試驗(yàn)方法，通過(guò)測(cè)量物體內(nèi)部的相位變化獲得物體的散射性質(zhì)。干涉法在20世紀(jì)90年代作為一種適合生物醫(yī)學(xué)成像的方法被實(shí)施并得到長(zhǎng)足發(fā)展。④光柵干涉法是在19世紀(jì)早期發(fā)現(xiàn)的一個(gè)光學(xué)現(xiàn)象，正如在一個(gè)光柵周期中菲涅爾衍射解釋的一樣，這個(gè)光柵圖像在光柵后面以規(guī)則的距離被重復(fù)，dr=2p2/λ，其中p就是光柵周期。X線光柵干涉相比于傳統(tǒng)的以吸收為基礎(chǔ)的成像方法能夠提供持續(xù)增強(qiáng)的對(duì)比，因此可提供更新和互補(bǔ)的信息。

3 同步輻射在血管成像上的應(yīng)用

3.1 同步輻射在活體血管造影上的應(yīng)用 同步輻射應(yīng)用在活體血管造影最大的優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用K吸收邊的效應(yīng)。K吸收邊DSA利用同步輻射光源在碘K吸收邊（33.17 keV）兩側(cè)附近的單色光產(chǎn)生兩束光能量，對(duì)注射碘對(duì)比劑的臟器進(jìn)行顯像處理，結(jié)果含有碘原子的血管顯示清晰，從而對(duì)毫米級(jí)的血管是否阻斷作出判斷，但是脂肪和肌肉等的吸收差別就很?。?］。另外，同步輻射冠狀動(dòng)脈造影（冠脈造影）技術(shù)是目前少數(shù)用于人體研究的醫(yī)學(xué)研究之一，Dix等［4］研究證實(shí)同步輻射冠脈造影的輻射劑量更低、操作更簡(jiǎn)便，更適于冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。┑幕A(chǔ)研究和隨訪研究。Tamaki等［5］通過(guò)微血管造影實(shí)驗(yàn)觀察了正常老鼠和頸動(dòng)脈閉塞老鼠的腦血管。這表明微血管顯像還能提供關(guān)于血流動(dòng)力學(xué)的有價(jià)值信息。Guan等［6］用同步輻射血管造影術(shù)在活的嚙齒類動(dòng)物中研究線栓誘導(dǎo)的大腦中動(dòng)脈閉塞模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)老鼠大腦中動(dòng)脈閉塞后有機(jī)硅涂層的長(zhǎng)度將影響大腦血流量和大腦梗死體積，由縫線誘導(dǎo)的血栓形成是實(shí)驗(yàn)中風(fēng)模型的另一潛在并發(fā)癥?？p線撤下后血栓的形成會(huì)影響再灌注。同步輻射血管造影數(shù)據(jù)顯示合適的肝素管理可被用來(lái)提高老鼠再灌注模型的重復(fù)性［7］。同步輻射血管造影術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用是在小動(dòng)物模型身上檢測(cè)功能性的血管生成。Lu等［8］的實(shí)驗(yàn)中采用同步輻射血管造影術(shù)，顯示出在鼠腦缺血后身體同側(cè)半球的不同軸突導(dǎo)向因子1號(hào)的超表達(dá)會(huì)促進(jìn)功能性的血管再生和功能性的恢復(fù)。之后鼠腦的梗死灶周圍人類內(nèi)皮祖細(xì)胞移植也能促進(jìn)血管再生［9］。這些研究表明同步輻射血管造影術(shù)是評(píng)價(jià)治療后功能性血管再生的重要工具。

3.2 同步輻射在離體臟器腫瘤新生血管上的應(yīng)用乳腺癌是常見(jiàn)的惡性腫瘤，早期檢測(cè)并全程監(jiān)測(cè)腫瘤新生血管的變化對(duì)乳腺癌的檢出與治療有重要意義。李瑞敏等［10］通過(guò)同步輻射衍射增強(qiáng)技術(shù)研究人離體乳腺癌，由于其較好的空間分辨力和襯度分辨力得到的圖像中腫瘤癌巢呈結(jié)節(jié)樣改變，與病理結(jié)果高度一致，且同步輻射折射的成像原理極大減少了輻射劑量，應(yīng)用前景良好。肝細(xì)胞癌的病死率居惡性腫瘤第2位，腫瘤細(xì)胞的無(wú)限生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移皆建立在腫瘤新生血管形成基礎(chǔ)之上。簡(jiǎn)建波等［11］通過(guò)相位襯度CT（phase contrast computed tomography，PCCT）對(duì)肝細(xì)胞癌微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，PCCT圖像結(jié)果與病理結(jié)果極其一致、腫瘤邊緣及其微血管和竇樣微血管等微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維可視化，血管最小直徑20 μm，并對(duì)微觀結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行了定量分析，這為未來(lái)肝細(xì)胞癌的研究提供了重要臨床依據(jù)。Li等［12］通過(guò)X線類同軸相位襯度成像對(duì)裸鼠原位肝癌模型的肝腫瘤血管進(jìn)行形態(tài)學(xué)研究，成功獲得了肝腫瘤異種移植中新生血管的圖像，除區(qū)分腫瘤和正常肝組織外，定量分析顯示血管密度隨腫瘤生長(zhǎng)先升高后逐漸降低。林慧敏等［13］通過(guò)動(dòng)物樣品的光柵X線相襯成像法，結(jié)合常規(guī)HE染色結(jié)果，研究無(wú)對(duì)比劑情況下光柵相襯法對(duì)腫瘤及內(nèi)部新生血管微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的情況；結(jié)果顯示血管直徑為15～30 μm，說(shuō)明在無(wú)對(duì)比劑的情況下，光柵X線相位襯度成像能對(duì)胃癌肺轉(zhuǎn)移灶及血管結(jié)構(gòu)清晰成像。

3.3 同步輻射在活體組織血管上的應(yīng)用 腦組織的密度很小，腦部血管與組織間的密度差更小，因此用常規(guī)的檢測(cè)手段無(wú)法在較大視野內(nèi)觀察腦部深處的血管病變情況。管永靖等［14］利用同步輻射光源成像技術(shù)建立了在體和活體實(shí)時(shí)觀察大鼠腦部微血管的同步輻射成像體系，獲得了正常大鼠在體及活體的腦部血管圖像，探索出一些穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，初步積累了一些成像及圖像分析的經(jīng)驗(yàn)，為以后深入研究腦血管疾病奠定了基礎(chǔ)。有研究［15-18］表明腦血管在高血壓動(dòng)物中經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)和功能上的變化。Wang等［15］對(duì)自發(fā)性高血壓大鼠和Sprague Dawley（SD）大鼠行同步輻射血管造影，比較了血管結(jié)構(gòu)和功能與衰老的差異；并探討了血管結(jié)構(gòu)的改變與血壓及年齡的相關(guān)性，從而影響血管疾病的診斷結(jié)果；結(jié)果顯示了高血壓在體內(nèi)引起的腦血管結(jié)構(gòu)、功能的改變，表明同步輻射血管造影對(duì)于檢測(cè)嚙齒類動(dòng)物的血管疾病診斷具有很大幫助。還有研究［16-17］采用類同軸相位襯度成像來(lái)顯示老鼠的微血管，且被用來(lái)研究老鼠體內(nèi)皮下腫瘤的血管生成。Tang等［18］進(jìn)一步研究了微氣泡作為相位襯度成像對(duì)比劑的可行性；微氣泡使腎血管在同步輻射相位襯度成像中與周圍組織形成鮮明對(duì)比。因此，以微氣泡為基礎(chǔ)的相位襯度成像有望在腫瘤進(jìn)展和預(yù)后評(píng)估中成為新的成像工具。

3.4 同步輻射在血管網(wǎng)絡(luò)定量分析上的應(yīng)用 血管網(wǎng)絡(luò)遍布于人體內(nèi)部，除了視網(wǎng)膜血管外，其他部位的血管均需借助成像手段觀察。血管網(wǎng)絡(luò)定量分析是對(duì)血管網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行量化分析并賦予明確的數(shù)值，從而客觀判斷血管異?；虿∽?。因此，精確的血管定量分析需要成熟的成像技術(shù)作為支撐。近些年來(lái)基于同步輻射光源的CT、Micro-CT、透射成像技術(shù)發(fā)展迅速，目前的定量分析手段可直接用于高分辨力數(shù)據(jù)的分析。彭浩杰等［19］在前人血管網(wǎng)絡(luò)定量分析的基礎(chǔ)上認(rèn)為，同步輻射光源作用下血管網(wǎng)絡(luò)定量分析需進(jìn)一步完善分析體系，全面定義新的定量指標(biāo)，提高描述血管在細(xì)微形態(tài)學(xué)上差異的精確度；同時(shí)在現(xiàn)實(shí)分析中針對(duì)特定疾病，使用成熟的定量分析指標(biāo)評(píng)估病變血管各階段的動(dòng)態(tài)變化；實(shí)際應(yīng)用中，可做到多種定量指標(biāo)的聯(lián)合。周源［20］運(yùn)用同步輻射的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到的3D形態(tài)學(xué)量化參數(shù)驗(yàn)證了川芎嗪能促進(jìn)急性脊髓損傷后血管新生，說(shuō)明同步輻射在血管網(wǎng)絡(luò)定量分析中的可行性。

3.5 同步輻射在血管三維成像上的應(yīng)用 吳天定等［21］采用同步輻射相位襯度成像對(duì)大鼠脊髓損傷后微血管進(jìn)行3D可視化研究，結(jié)果實(shí)現(xiàn)了脊髓微血管網(wǎng)絡(luò)的三維可視化。同步輻射相位襯度成像無(wú)需血管對(duì)比劑，可對(duì)脊髓微血管3D結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化成像及量化分析；Zhang等［22］用X射線相位襯度成像技術(shù)對(duì)兔眼血管進(jìn)行三維重建，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可成像整個(gè)眼睛的血管，不僅是視網(wǎng)膜血管；筆者從二維圖像和三維模型中確定血管的直徑和形態(tài)特征，并獲得微脈管密度分布的測(cè)量值，可為青光眼濾過(guò)手術(shù)提供參考。冠狀動(dòng)脈閉塞是心肌梗死最常見(jiàn)的原因，Zhang等［23］進(jìn)行基于X射線相位襯度成像的心臟微血管栓塞三維成像研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可直接在心肌梗死模型中三維成像微血管，并量化梗死微血管。因此，相位襯度成像可能成為研究心肌梗死的一種新方法。Zhang等［24］通過(guò)同軸X線相位襯度微電子計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)首次揭示針灸穴位的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，在穴位處清晰可見(jiàn)微血管的聚集，而非穴位區(qū)則沒(méi)有。Liu等［25］進(jìn)一步研究顯示，穴位大小可通過(guò)微血管聚集物的直徑估計(jì)，這為針灸穴位的存在及其療效的研究提供了有力依據(jù)。

4 應(yīng)用價(jià)值和前景

同步輻射在血管成像上的應(yīng)用上由離體研究發(fā)展為活體組織器官研究，可在不用對(duì)比劑的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的成像，降低了碘對(duì)比劑帶來(lái)的不良反應(yīng)，且其空間分辨力和襯度分辨力俱佳，得到的圖像更優(yōu)質(zhì)，更利于診斷，是醫(yī)學(xué)血管成像的一次飛躍，為臨床診斷提供更便捷的可能性。然而現(xiàn)階段同步輻射成像效果受樣本的固定方法、組織類型及干燥程度、大小厚薄等因素的影響，同時(shí)用于成像的條件，如光斑大小、X線能量、分析晶體角度等尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用仍較困難。因此，還要加強(qiáng)同步輻射的成像研究，并開(kāi)發(fā)性價(jià)比高的小型同步光源服務(wù)于醫(yī)療行業(yè)。