肿瘤组织的同步辐射X射线成像和谱学研究

论文摘要

肿瘤是危害人类健康和生命的重大疾病之一。目前，临床上常规的肿瘤诊断方法主要有组织病理学和影像学等。近年来，各种新的诊断技术不断进展，使肿瘤的诊断不断接近早期、准确、微创伤或无创伤性的目标。本文用衍射增强成像（DEI）、类同轴全息成像（位相衬度成像）和吸收成像等同步辐射X射线成像方法研究了各种类型的乳腺组织和子宫肌瘤的微结构；用同步辐射傅立叶变换红外光谱（SR-FTIR）研究了正常乳腺组织、良性乳腺肿瘤组织和乳腺癌组织的光谱特性；用同步辐射X射线荧光分析方法（SR-XRF）和X射线吸收精细结构（XAFS）方法分析了各种乳腺组织中微量元素的种类、相对含量和化学环境。同时，评价了同步辐射的X射线成像和谱学方法在辨别正常的、良性的和癌变的组织中的作用，并探讨同步辐射实验方法在医学应用中的价值。 首先，用X射线成像方法研究乳腺肿瘤和子宫肌瘤的微结构。在衍射增强成像原理的基础上，通过简单的实验模型分析了DEI成像的过程与特点。在摇摆曲线顶部记录的图像，即衍射图像有很好的衬度，可以直接用于观察物体的内部结构；在摇摆曲线半高宽处记录的图像也有一定的衬度，它们经过像素对像素的算法处理后可以得到表观吸收图像和折射图像。表观吸收图像的特点与传统X射线图像相似，但折射图像具有更好的边界衬度，能够分辨材料内部不同折射率的微结构。同时也发现，分析晶体的本底信号会影响DEI成像的质量，但对折射图像没有任何影响，不会引起折射图像与实际物体之间的偏差。因而，折射图像用于辨别正常组织与病变组织、工业检测等方面具有很好的可信度。 X射线衍射增强成像能够显示出正常乳腺组织、良性乳腺肿瘤组织和乳腺癌组织的内部结构以及它们的差异性，而且不需要大量繁琐的病理切片。尽管表观吸收图像与传统医学图像相类似，在分辨这些组织上不存在优势，但表观吸收图像的衬度高于同步辐射吸收图像的衬度。而折射图像能够很好地显示出各种乳腺组织的内部结构，如正常乳腺组织中的微小纤维、良性乳腺肿瘤组织中的纤维束和乳腺癌组织中的微小钙化等，这些微结构的尺度均在几十微米左右。同样，衍射图像的衬度也比吸收图像的衬度高，也能够直接用于观察乳腺组织的内部结构，特别是其用X射线胶片记录并经光学显微镜放大后，图像的清晰度得到了很好的改善，在辨别乳腺组织的类型上有更好的效果。对包含各种乳腺组织的摇摆曲线进行统计分析后可知：摇摆曲线的峰位和半高宽的变化并不明显，但它们的反射强度或积分强度的差异比较显著，能够反映出各种乳腺组织对X射线的吸收能力的不同。同时，对DEI图像衬度与入射X射线能量关系的研究发现：衍射图像和表观吸收图像的衬度随X射线能量的变化关系是相似的，说明衍射图像和表观吸收图像包含的主要衬度是相似的，即吸收衬度，而折射图像的衬度随X射线能量的增大总体上呈现下降趋势。综合来看，对于乳腺组织来说，DEI成像在低能量端有很好的衬度，反映了衍射增强成像更适合于对轻元素的成像。 我们对子宫肌瘤进行的同步辐射成像研究表明，光学显微镜只能观察子宫肌瘤的表面形貌，而无法显示出它的内部结构。而衍射增强成像可以显示子宫肌瘤的内部结构。尽管在子宫肌瘤的表观吸收图像中难以完整地辨别出肌瘤的内部结构，但衍射图像和折射图像都能够清晰地显示出肌瘤内部尺度在30μm左右的微结构，包括肌瘤的漩涡状结构、透明变性、囊状变性、红色变性以及因变性而产生的空洞。这些微结构有利于提示子宫肌瘤的恶化趋势。 将位相衬度成像用于乳腺肿瘤的结构研究后发现：正常乳腺组织的吸收图像的清晰度比较高，原因是正常乳腺组织比较致密，对于对X射线的吸收相对较强。而位相衬度成像在分辨肿瘤组织内部结构方面的优势是比较明显的，能够清晰地显示出乳腺组织中的一些精细结构，并可以反映出正常组织、良性肿瘤组织和癌变组织结构的特异性。在位相衬度成像中，图像的衬度是与样品到探测器的距离有关的，在不同样品到探测器的距离下，位相衬度成像的分辨率是不同的。根据衬度传递函数（CTF），可以估计出乳腺癌组织中的钙化尺度在30μm左右，与衍射增强成像的实验结果基本一致。 其次，利用同步辐射傅立叶变换红外光谱对各种类型的乳腺组织进行了研究。从SR-FTIR的结果中可以观察到不同类型乳腺组织红外吸收光谱结构上的显著差异。对900-3600cm-1范围内的红外吸收光谱进行仔细分析，得到的明显印象是从正常组织到良性肿瘤组织，红外吸收的丰富光谱特征变为模糊；而病变组织在癌变过程中，比较平滑的光谱变得比较复杂。另外，SR-FTIR能够很好地分辨出比较接近的峰，如1464cm-1和1474cm-1变得比较清楚。在SR-FTIR中，也发现了一些特定的吸收峰，它们可以帮助诊断乳腺组织的类型。 最后，我们还用同步辐射X射线荧光分析（SR-XRF）和X射线吸收精细结构（XAFS）分析了正常乳腺组织、良性乳腺肿瘤组织和乳腺癌组织中微量元素的种类、相对含量和化学环境等。根据SR-XRF的结果，在正常乳腺组织、良性乳腺肿瘤组织和乳腺癌组织中微量元素的种类是相同的，但相对含量是不相同的，特别是正常组织和肿瘤组织中的Ca、Fe和Zn的差异相当明显。肿瘤组织中S、Cr、Mn、Ni、Cu和se的相对含量与正常组织中含量具有正相关性，即肿瘤组织的含量相对于正常组织是增加的，而K和Ca则是负相关性。P在正常乳腺组织和良性乳腺肿瘤组织中的含量基本不变，但在癌变组织中略有下降。恶性肿瘤中的Fe和Zn是正相关性，而在良性肿瘤中则是负相关性。对组织中Ca、Fe和Zn的XANES分析后发现：只有Fe出现了边前结构，而Ca和Zn没有；在边后，肿瘤组织中Ca和Zn的变化规律基本相似，与正常组织的不同，但是正常组织和癌变组织中Fe的边后规律是相似的，而良性组织中的规律存在特异性。各种组织中不同元素的径向分布函数（RDF）的差异是比较明显的，但它们的规律性不是很明确，说明在组织中Ca、Fe和Zn的存在环境是非常复杂的，而且轻元素的散射对实验结果的影响很大。 总之，正常组织和肿瘤组织在X射线图像和光谱上的差异性是显著的，各种方法得到的结论是基本一致的，它们可以互相印证、相互补充。因此，将同步辐射实验方法应用到肿瘤的早期诊断中具有一定的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 概述
• §1.1 肿瘤诊断的影像学方法
• §1.2 同步辐射的特点及其发展
• §1.2.1 同步辐射及其特点
• §1.2.2 同步辐射的发展
• §1.3 同步辐射的医学应用
• §1.3.1 引言
• §1.3.2 同步辐射的医学成像
• §1.3.3 X射线衍射
• §1.3.4 X射线光谱学
• §1.3.5 同步辐射微束放射治疗
• §1.4 论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 衍射增强成像的原理与实验验证
• §2.1 引言
• §2.2 衍射增强成像的基本原理
• §2.3 实验验证
• §2.3.1 实验样品与方法
• §2.3.2 实验结果与讨论
• §2.3.2.1 摇摆曲线
• §2.3.2.2 DEI成像过程分析
• §2.3.2.3 表观吸收图像与折射图像
• §2.3.2.4 本底信号对DEI图像的影响
• §2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 乳腺肿瘤的衍射增强成像研究
• §3.1 引言
• §3.2 实验样品与方法
• §3.3 实验结果与讨论
• §3.3.1 衍射图像、表观吸收图像和折射图像
• §3.3.2 吸收图像与衍射图像的比较
• §3.3.3 用衍射图像观察微结构
• §3.3.4 摇摆曲线
• §3.3.5 DEI图像衬度与X射线能量的关系
• §3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 子宫肌瘤的X射线衍射增强成像
• §4.1 引言
• §4.2 实验样品与方法
• §4.2.1 实验样品
• §4.2.2 实验方法
• §4.3 实验结果与讨论
• §4.3.1 样品Ⅰ的表观吸收图像和折射图像
• §4.3.2 样品的微结构
• §4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 乳腺肿瘤的位相衬度成像
• §5.1 引言
• §5.2 实验样品与方法
• §5.3 实验结果与讨论
• §5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 乳腺癌的红外光谱研究
• §6.1 引言
• §6.2 材料与方法
• §6.3 结果与讨论
• §6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 乳腺肿瘤组织中的微量元素分析
• §7.1 引言
• §7.2 材料和方法
• §7.3 结果与讨论
• §7.3.1 X射线荧光分析
• §7.3.2 X射线吸收精细结构
• §7.4 结论
• 参考文献
• 总结
• 博士期间发表的论文
• 致谢