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X射线相位衬度显微成像的原理与进展
当前医学影像学的发展趋势是提高人体软组织成像的衬度分辨率及空间分辨率,由宏观影像学向微观影像学的方向发展。微观影像学能看见微米级的组织和细胞结构,能在活体上无损和动态地观察人体内部器官的微细病理变化,从而能早期做出准确的细胞病理学的定性和定位诊断,以及早期进行精确的定点清除治疗。在提高软组织成像的衬度分辨率方面,相位衬度成像技术是国内外关注的热点。据报道,软组织的 X 射线相位衬度的分辨率约为常规 X 射线 CT 吸收衬度分辨率的 1000 倍。本文以北京同步辐射装置产生的同步 X 射线束为光源,应用衍射增强成像( DEI )技术,对人和动物脏器的软组织进行相位衬度成像。结果表明:相位衬度显微成像可清晰显示肺泡、肾小管、肝小叶等微细的组织结构,其空间分辨率可达 20 微米,这些在常规 X 射线 CT 吸收衬度成像是看不见的。医学相位衬度〔简称“相衬”〕显微 CT 成像将是医学显微影像学的未来发展方向。
关键词: 空间分辨率;衬度分辨率;衍射增强成像;相衬显微 CT ;病理影像诊断
中图分类号: R814.42 文献标示码 : A
Principle and Advancements of X Ray Phase Contrast Micro-imaging
CHEN Zhi-hua 1 , PAN Lin 1 , LI Hong-yan 1 , LI Gang 2 , XU Bo 1 , WANG Zi-qiang 1 ,
ZHU Pei-ping 2 , ZHAO Tian-de 1 , JIANG Xiao-ming 2 , WU Zi-yu 2 TANG Jin-tian 1 ,
CHEN Wei-chang 1 *
(1. China Japan Friendship Hospital, China Japan Friendship Institute of Medical Sciences, Beijing 100029;
2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy, Beijing 100049)
Abstract: Recent development of the medical imaging is the changing from macro-imaging to the micro-imaging by improving the spatial resolution and the contrast resolution of the soft tissues. Cells and microstructure of μm magnitude can be visualized in vivo non-invasiv el y and dynamically by medical micro-imaging technique. Medical micro-imaging is capable of making the pathological diagnosis more early and the treatment of the leision more precisely by γ knife. Because the phase contrast resolution of X ray in soft tissues is about one thousand times higher than that of the absorption X ray method, so the phase contrast imaging is becoming the hot spot of the medical imaging. In this paper, the synchrotron X ray source at BSRF was used to investigate the microstructure of lung, liver and kidney by means of the DEI phase contrast micro-imaging method. Results indicated that the microstructures of lung alveoli, renal tubulous, liver lobules etc, which could not be seen by conventional absorption X ray method but could be revealed clearly by phase contrast imaging method. The spatial resolution reached about 20 μm. It is concluded that the medical phase contrast micro-CT is a new developing technique of the medical imaging in the near future.
Key words: spatial resolution; contrast resolution; Diffraction Enhancement Imaging (DEI);
Phase contrast micro-CT; image pathological diagnosis
• 当前医学影像学的发展趋势
• 1 病理学诊断与现代医学 病理学诊断是临床医学诊断的“金标准”( golden criteria )。病理学可分为宏观的病理解剖学和微观的细胞病理学两大类。病理解剖学即尸检,其空间分辨率为毫米数量级,是肉眼可见的分辨率范围。病理解剖学能够对病变的部位及大小进行定位和定量的诊断,但对病变性质的准确诊断,仍必需依赖组织切片和显微镜的观察,即所谓微观病理学亦即细胞病理学,才能作出精确的定性诊断。光学显微镜的空间分辨率为微米数量级,能够看见人体细胞和微细的组织结构。但由于可见光的穿透力很差,不能看见人体内部的结构和组织,因此病理的手术或穿刺的活体检查诊断都是有创的。
• 医学影像学与临床医学诊断 1895 年 X 射线的发现以及 1971 年 X 射线 CT 技术的发展 使医学活体成像技术,亦即医学影像学得到飞速发展 , 它是应用穿透力很强的射线源,例如 X 射线( X 射线照相及 X 射线 CT ),γ射线( PET , SPECT ),强磁场加高频电磁波( MRI ),超声波等透过人体内部,与深部组织结构产生相互作用,再通过计算机图像重构而显示活体内部结构或功能的影像。但目前医学影像学的空间分辨率只达到毫米数量级,仍是肉眼可见的分辨率范围,例如 X-CT 的分辨率为 0.3 ~ 0.5mm , MRI 约为 0.5mm , PET 为 5mm 左右,只能对病变的部位及大小进行定位和定量的诊断,尚不能进行精确的病理学定性诊断,仍属于宏观影像学( macro-imaging )的水平。因此当前医学影像学的发展趋势,是向微观影像学( micro-imaging )的方向发展 [1] 。微观影像学的空间分辨率为微米数量级,能够看见微米级的细胞和组织结构,能在活体上无损和动态地观察人体内部器官的微细病理变化,从而能早期作出准确的细胞病理学的定位和定性诊断。结合γ刀, X 射线刀及质子射线束等聚焦照射技术,早期对病变进行精确定点清除治疗,使疾病得以早期诊断,治疗,及时根治。
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