衍射增强技术对肝脏诊断的意义

【关键词】  放射摄影术； 肝脏;  图像增强； 衍射增强成像

Values of the diffraction-enhanced imaging (DEI) technique in liver disease diagnosis   PENG Yi-feng, CHEN Shao-liang.

【Key words】     Radiography;   Liver;   Image enhancement;   Diffraction-enhanced imaging

【First author抯 address】   Department of Nuclear Medicine, Zhongshan Hospital, Fudan University, Shanghai 200032, China

Corresponding author: CHEN Shao-liang, Email: shao-liang@zshospital.com

相位衬度成像是通过记录X射线穿过物体后相位的改变量而成像的一种技术，当X射线穿过物质时，其折射率可以写成n＝1-δ-iβ[1]，其中β为吸收项，δ为相位项，在通常医学诊断使用能段中，相位项比吸收项大1000多倍，因此在吸收衬度很难探测的情况下仍有可能观察到相位的衬度。

衍射增强（diffraction enhanced imaging，DEI），是相位衬度成像方法中的一种[2]，利用分析晶体将X射线穿过样品时产生的透射光、折射光和散射光彼此分开产生增强衬度。是20世纪90年代后期发展起来的一种X射线成像模式[3]，光源采用同步辐射光源，由于同步辐射是近平行光，具有准直性强、部分相干性，又是高亮度，因而可以采用较严格的单色措施，如双晶单色器、分析晶体等，可以采用小狭缝、加大测角器半径等许多措施，也是因为高亮度，可以测得高θ角范围的弱衍射，从而大大提高其分辨率。

一、材料与方法

1. 实验条件：实验在北京高能物理研究所同步辐射装置（BSRF）形貌站（4W1A束线）上进行， 4W1A是从4W1磁铁引出硬X射线的白光束线,X射线能量范围主要分布在8～22keV,实验采用12keV（由于在BSRF上，能量过低则穿透不够，能量过高可引起普通量的下降，能量选择根据线站专业人员建议）。DEI成像示意图，见图1。

2. 样本处理：将浸泡在甲醛中的大鼠和人体肝脏样本取出，细致切割成1cm大小、2～3mm均匀厚度的薄片装在透明塑料袋中，用胶带固定在样品架上。

3. 实验方法：对位后曝光，获得摇摆曲线（Rocking curve, 衍射强度随角度的变化曲线）,再选择摇摆曲线上感兴趣的位置进行扫描，一般选择在峰位和侧位不同位置，曝光时间5～10s（峰位曝光时间较短）。

4. 图像处理：探测器使用FujiIX 80胶片和X射线电荷耦合器件成像系统,采集图像。采用显微放大法获得分辨率。

二、结果

通过对大鼠峰位和侧位，人正常肝组织侧位的扫描、获得成像（图2，3），通过对实物显微放大的方法测得大鼠及人正常肝组织中的血管直径约为5～10μm，说明成像分辨率达到微米量级。

当分析晶体放置在摇摆曲线的峰位，即分析晶体的接收角与单色器晶体的出射角重合时，它将滤掉所有角度大于几个微弧度的相干散射的X射线，最后在探测器上的图像类似于常规X射线照片,但是由于滤掉了散射光而显现出增强的衬度,为表观吸收像（图2左）,表观吸收像与用常规X射线所得的常规吸收像不同，常规吸收像中小角散射的X射线无法从透射光中滤除因而出现在图像中,因此在常规吸收像中没有消光衬度（从样品中滤除了小角散射），而表观吸收像为吸收过程和消光过程的结合，由于消光衬度的出现可以得到比常规吸收像大得多的衬度，当分析晶体放置在摇摆曲线的一侧，即分析晶体的接收角偏离单色器晶体的出射角时X射线穿过样品时产生的微小的折射将改变其经分析晶体衍射的强度，从而产生折射衬度。在实验中，图2右及图3获得的即为折射像。可以看到较强的三维立体感和各不同组织交界处的边缘增强效果，这主要是由于在边缘交界部位折射系数变化较大所致。

三、讨论

常规医学X线成像依靠不同组织之间的线性衰减系数差异来产生探测器上的光通量的差异，亦即吸收成像，这种差异在骨和软组织之间是可行的，但在不同的软组织之间这种差异（衬度差异）很小，而且常规医学X成像技术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。

现有的CT、MRI技术空间分辨率一般仅能达到0.5mm，而DEI可获得微米量级的空间分辨率。由于成像光源面积的关系（BSRF上的光斑面积仅能达到10mm×2mm，单色化后更小），样本相应需要按此大小裁切，目前在CT、MRI上实难完成成像，目前我们还无法进行同一样本的DEI与CT、MRI的比较。

在DEI应用于肝脏成像时，随着能量的增加，相位项比吸收项降低的更缓慢，在这里δ∝Ε－4，在高能段，物体对X射线的吸收剂量较低，由于相位衬度依赖于X射线的相干散射而不是吸收，因此可以在较高能段成像，这就降低了射线对组织的潜在的损伤，安全性对相位衬度成像在肝脏（尤其在今后活体成像）的研究有着更重要的意义。

在同步辐射装置的4W1A光束线形貌学实验站，白光X射线的出口尺寸为20mm×10mm，因此，对于较大尺寸的样品，成像区域受到限制，而未来在上海建成的上海光源同步辐射装置（SSRF），出口尺寸明显得到提高，加上其他技术参数（能量级别、束线长度等）的极大改善，DEI技术在包括肝脏在内的各脏器方面应用都将得到提高，甚至可进行活体的直接成像。

通过对大鼠和人正常肝脏组织的DEI成像实验，获得了微观水平（微米量级）的影像，可以显示常规X吸收成像、CT、MRI无法看到的大鼠肝脏血管和人正常肝组织的肝小叶结构，如该项技术能应用于临床，以其优良的分辨率和衬度将有望提高在肝脏诊断中的应用价值。

参  考  文  献

1Jiang XM, Li G, Chen ZH, et al. Refractive Contrast in X-Ray Diffraction Enhanced Imaging. Gaonengwuli Yu Hewuli, 2004, 28: 1282-1290.

姜晓明,黎刚,陈志华,等.X射线衍射增强成像中的折射衬度.高能物理与核物理,2004,28:1282-1290.

2David C, Nohammer B, Solak HH, et al. Differential X－ray phase contrast imaging using a shearing interferometer. Appl Phys Lett, 2002, 81: 3287-3289.

3Chapman D, Thomlinson W, Johnston R E, et al. Diffraction enhanced X-ray imaging. Phys Med Biol, 1997: 2015-2025.