基于X射线相衬CT的肝纤维化微血管定量分析与血管类型区分研究

摘要

X射线相衬成像（phase-contrast imaging，PCI）能够大幅度提高图像的衬度，特别适用于区分具有微小密度差异的生物软组织。和传统X射线成像相比，PCI具有超过1000倍的敏感度。PCI能够获得高分辨率的图像且辐射剂量较低，因此，它在生物医学成像上具有明显的优势。结合CT技术，相衬CT展现了优于传统CT的特点，它能够获得生物软组织的高分辨率CT图像。因此，相衬CT的研究在生物医学成像上具有重要的研究价值和应用前景。
　　肝纤维化是对慢性肝损伤的一种可逆修复反应，它表现为细胞外基质在肝内的过量沉积。肝纤维化可能最终发展成为肝硬化，表现为肝小叶结构被破坏，假小叶及结节形成，并可能伴随门脉高压。肝纤维化的发展变化与肝内微血管结构和形态密切相关，微血管变化被认为是近来发现的肝纤维化最重要的病理生理学特征之一。肝脏中的微血管成像能够用来评估纤维化的进展，辅助实现肝纤维化的早期发现以及纤维化程度的客观评估。在本研究工作中，基于相衬CT技术的大鼠肝纤维化成像实验在上海光源X射线成像及生物医学应用光束线站完成。结合相衬CT和三维可视化技术，本文致力于研究肝纤维化微血管结构和病理特征，主要的研究内容如下：
　　(1)在本研究中，样品为24只Sprague-Dawley大鼠，肝纤维化模型是由四氯化碳诱导而成。所有的样品分作四个组，每组6只大鼠，四个组分别为正常、轻度、中度和重度肝纤维化。利用相衬CT技术，不同级别的肝纤维化样品在不加造影剂的情况下进行成像研究，目的是研究纤维化发展中肝内微血管的变化。本文结合相衬CT和三维可视化技术，重建出不同级别肝纤维化微血管三维结构，并在三维血管重建基础上获得血管的卷曲度、内壁纹理、分形维数和默里偏差等形态指标，利用微血管的形态变化定量分析了肝纤维化的发展。同样，基于重建的肝纤维化样品中的三维微血管，计算了微血管密度，并利用病理组织学CD34免疫组化方法对微血管密度进行验证。此外，直接测量并记录了大鼠门静脉压力数值，并对微血管变化与门脉压力进行了相关性分析。研究结果表明相衬CT能够清楚地描述不同级别肝纤维化中的微血管形态和数量的变化，利用三维微血管变化能够更好地刻画纤维化进展，而且统计分析证实了微血管变化和门脉压力之间有很好的相关性，这在研究门脉高压上具有重要的潜力。
　　(2)在胆管结扎型肝纤维化模型中，血管病变与胆管病变相互影响共同促进病程进展，有效地观察血管与胆管的形态结构有助于明确其微循环机制和病理特征。在本文的研究中，在不加造影剂的情况下，利用相衬CT技术显示了不同病变程度的胆管结扎肝纤维化模型中的微血管，病理切片对照证实了CT图像在显示微血管形态上的一致性。结合相衬CT和三维可视化技术，不同病变程度的肝纤维化微血管三维结构被清楚地显示出来。在正常的肝脏样品中，三维微血管呈现规则的形状；在纤维化样品中，由于纤维组织的挤压，血管的杂乱和形态变形等变得明显，因结扎而扩张的胆管显示的非常清晰。在严重的肝纤维化样品中，靠近肝脏表面边缘处还可观察到呈团簇状分布的新生胆管结构。基于重建的肝纤维化样品中三维微血管结构特点，不同类型血管（门静脉与肝静脉）和不同类型胆管（胆管与新生胆管）能够被有效地被区分出来，且具有良好的敏感性、特异性、准确性和一致性。研究表明相衬CT能够很好地评估肝纤维化发展中血管的结构和病理变化。

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第一章 前言

1.1肝纤维化

1.2 X射线相衬CT成像

1.3 X射线相衬CT的医学研究进展

1.4相衬成像在肝纤维化微血管成像上的研究进展

1.5血管定量分析研究进展

1.6研究目的和意义

1.7研究内容和方法

1.8论文结构安排

第二章 X射线相衬成像原理

2.1 X射线及同步辐射光

2.1.1 X射线

2.1.2同步辐射光特性

2.1.3同步辐射光发展

2.1.4上海光源

2.2 X射线相衬成像及其CT成像原理

2.2.1 X射线吸收成像

2.2.2 X射线相衬成像

2.2.3 X射线相衬CT成像原理

2.3类同轴成像

2.4相位恢复

2.5本章小结

第三章 肝纤维化模型微血管形态与数量改变定量分析

3.1实验模型和成像

3.1.1肝纤维化模型制备与分组

3.1.2成像实验及数据采集

3.2数据处理及肝纤维化分析方法

3.2.1图像处理

3.2.2切片分析

3.2.3肝纤维化血管形态学分析

3.2.4肝纤维化血管数量改变分析

3.2.5肝表面分析

3.2.6统计分析

3.3实验结果与分析

3.3.1病理切片分析

3.3.2微血管形态改变

3.3.3微血管数量改变

3.3.4肝表面粗糙度分析

3.3.5微血管改变与门脉压力相关性分析

3.4讨论

3.5本章小结

第四章 基于相衬CT的肝纤维化血管与胆管类型区分

4.1实验材料和方法

4.1.1肝纤维化模型制备与分组

4.1.2成像操作及图像处理

4.1.3切片处理

4.2相衬CT敏感性、特异性、准确性分析

4.3实验结果

4.3.1投影图分析

4.3.2相衬CT与病理切片对比分析

4.3.3相衬CT的敏感性、特异性和准确性

4.3.4 3D血管形态分析

4.3.5血管分割

4.4讨论

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述:X射线相位衬度成像在生物软组织中应用研究进展

致谢