相位衬度医学成像的实验研究

论文摘要

目的分辨出正常与异常组织之间差异是医学影像诊断的基础，现代医学的发展对成像技术提出更高要求，除了机器等硬件设备的不断革新外，成像机制的改进成为重要的研究课题。然而自1895年伦琴发现X射线的一百多年来以来，吸收衬度一直作为医学成像的基本成像机制，对于密度差别大的组织，这种方法切实可行，但对于密度差异较小的以轻元素为主的组织，尤其是软组织，这种方法就显得比较困难。原理上相位变化比吸收变化敏感得多，相位衬度技术能分离出X射线与物质作用时产生的多种效应（散射、折射、吸收等），将组织的相位变化转变为强度变化，在成像装置上形成图像，相位衬度成像技术对光源的要求是具有一定的空间相干性，而同步辐射光源则具有高亮度、高准直性和较好的空间相干性等众多优点，本课题旨在通过相位衬度医学成像以及冠状血管的成像实验，评价利用同步辐射进行医学成像的意义，并分析存在的问题，从而更好为今后进一步开发同步辐射这种先进光源技术在医学上的应用服务。材料与方法实验在北京同步辐射装置（BSRF）4W1A的束线上进行，样品浸泡在4％福尔马林溶液中，成像前被均匀切割成1cm大小、0.3-0.4cm厚度，然后放置在样品架上进行成像，采用的方法有类同轴、衍射增强方法，在进行类同轴相位衬度研究时，样品架在光束线平行的方向移动，分析样品与成像装置间的有效距离对图像的影响；衍射增强成像实验是我们课题的研究重点，进行衍射增强实验研究时，首先扫描获得摇摆曲线，然后在摇摆曲线上选择包括峰位、低角侧和高角侧的半高、底位进行扫描，进行成像研究，图像分辨率采用显微放大法获得；最后我们采用衍射增强和单色光两种成像技术对大鼠心脏冠状血管进行成像对照研究，比较两种方法的分辨率和成像衬度上的差异。由于进行干涉测量法对晶体的性能要求和稳定性高，北京同步辐射装置（BSRF）实验条件的限制，目前尚无法开展该类实验。结果类同轴成像方法获得较好的衬度，分辨率可以达到微米量级，可以清晰显示肺部的支气管树结构、肾门结构、骨小梁结构，样品与成像装置的有效距离Z与图像的衬度呈较好的相关关系。衍射增强成像实验中，发现不同组织有不同的摇摆曲线，而且这种差异并不是单纯由组织密度产生的；除可获得与传统成像相仿的基本信息外，衍射增强成像方法还获得另外更多的样品内组织细微结构信息，衍射增强的图像分辨率可以达到微米级，在峰位获得的图像类似于吸收像，因为它滤除了散射光，图像要清晰得多，在半高位获得的图像衬度清楚得多，还对摇摆摇摆曲线其它位置成像的衬度差异进行了分析，根据衍射增强的成像原理，又对半高位的图像进行了加减合成计算，分别获得了表观吸收像和折射像。在对心脏冠脉血管进行的成像研究中，衍射增强成像在不使用造影剂情况下即可获得了心脏及血管的成像，成像衬度也较高；而单色光技术则获得了冠状动脉的动态图像以及与心动周期的关系，通过比较分析，两种方法显示的空间分辨率并没有明显的差异，但是由于衍射增强成像（DEI）的特殊成像机制，在硬X射线能段相比较于吸收成像，辐射剂量更小，因而更加安全。结论相位衬度成像方法不同于传统的硬X射线吸收成像，从相位衬度的角度对物质进行成像，将不同衬度对成像的贡献分离后可以获得物质非常清晰而精细的内部细微结构，在此基础上，可以更深入地开展医学成像的应用研究，而对光源的要求主要是具有一定的空间相干性，同步辐射正是具有此类特征，此外，还具有高亮度、准直性高、时间脉冲性等优良特性，因此除了相位衬度成像外，同步辐射光源还能进行心脏冠脉血管的成像等众多研究。同步辐射应用于医学临床的困难是目前的同步辐射光源设备过于庞大，尚不能在临床普及使用，目前主要适用于基础病理、医学生化以及新型成像和医疗技术的研究开发，加之我们从事的BSRF还是第一代的兼用同步辐射装置，各项技术并不是最优化，与第三代的专用装置无法相比较，因此我们从事的研究工作潜力仍旧巨大；另一方面，由于SR发射的是发散度极小的扇形线状光源，虽然这有利于单色器分光，但不能满足直接构成进行人体器官成像所需要的一定面积的光源（对人体器官一般需要的光源面积在5～10cm比较合适）。因此应设法将其扩展为面光源，以适用于医学影像诊断的要求。

论文目录

• 背景
• 同步辐射
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 参考文献
• 第一部分 类同轴位相衬度成像
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 第二部分 衍射增强成像
• 前言
• 材料与方法
• 结果
• 讨论
• 安全性问题
• 小结
• 参考文献
• 第三部分 同步辐射技术应用于冠状动脉成像的实验
• 前言
• 材料和方法
• 结果
• 讨论
• 小结
• 参考文献
• 总结及展望
• 综述一: 相位衬度成像
• 综述二: 同步辐射冠状动脉造影
• 附录
• 致谢