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)制無法滿足臨床需求，尤其是對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，應(yīng)用了“扭擺器”等高級插入件的第三代光源亮度更是高達(dá)12個(gè)數(shù)量級［1］。同步輻射的高亮度能極大降低血管造影或DSA對比劑的量，因此，可使用更安全的靜脈對比劑。②同步輻射能產(chǎn)生一個(gè)從紅外線、可見光到硬X線的連續(xù)范圍光譜，橫跨4～5個(gè)數(shù)量級，可根據(jù)所進(jìn)行生物品分析的需求調(diào)出光譜適用波長的光。③衍射成像和干涉成像也能通過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，通過測量物體內(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，對注射碘對比劑的臟器進(jìn)行顯像處理，結(jié)果含有碘原子的血管顯示清晰，從而對毫米級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)用乳腺癌是常見的惡性腫瘤，早期檢測并全程監(jiān)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。李瑞敏等［10］通過同步輻射衍射增強(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)胞的無限生長和轉(zhuǎn)移皆建立在腫瘤新生血管形成基礎(chǔ)之上。簡建波等［11］通過相位襯度CT（phase contrast computed tomography，PCCT）對肝細(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，并對微觀結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行了定量分析，這為未來肝細(xì)胞癌的研究提供了重要臨床依據(jù)。Li等［12］通過X線類同軸相位襯度成像對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先升高后逐漸降低。林慧敏等［13］通過動(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，研究無對比劑情況下光柵相襯法對腫瘤及內(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，說明在無對比劑的情況下，光柵X線相位襯度成像能對胃癌肺轉(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)的檢測手段無法在較大視野內(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于檢測嚙齒類動(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顯示老鼠的微血管，且被用來研究老鼠體內(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)分析中針對特定疾病，使用成熟的定量分析指標(biāo)評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需血管對比劑，可對脊髓微血管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量值，可為青光眼濾過手術(shù)提供參考。冠狀動(dòng)脈閉塞是心肌梗死最常見的原因，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)，在穴位處清晰可見微血管的聚集，而非穴位區(qū)則沒有。Liu等［25］進(jìn)一步研究顯示，穴位大小可通過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，可在不用對比劑的情況下實(shí)現(xiàn)對血管的成像，降低了碘對比劑帶來的不良反應(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，并開發(fā)性價(jià)比高的小型同步光源服務(wù)于醫(yī)療行業(yè)。