X射线相位衬度成像及其肝细胞癌显微成像研究

摘要

X射线相衬成像(phase-contrast imaging，PCI)技术是新近出现的高衬度和高空间分辨率的成像技术。和传统X射线成像技术相比，它可满足生物软组织微观成像条件，获得软组织丰富内部的微观结构细节。近年来，相衬成像与CT的结合产生了相衬CT技术。结合相衬成像技术的优势，相衬CT能够极大地提高图像的衬度，获得软组织的高分辨率CT图像。此外，结合三维可视化技术，相衬CT能够在不注射造影剂的情况下获得生物样品的三维内部微观结构。本课题借助相衬成像技术的信息提取和CT重建，获得了样品的高质量图像及三维微结构。目的在于丰富和加深相衬成像理论与方法，探索相衬成像及其图像处理在生物医学应用中的新途径。
　　衍射增强成像(diffraction enhanced imaging，DEI)和类同轴相衬成像(in-linephase-contrast imaging，ILPCI)是目前研究和应用广泛的相衬成像技术。通过在北京同步辐射装置和上海光源分别进行DEI和ILPCI实验，本文研究了DEI的信息提取方法，并利用ILPCI-CT技术获得了高分辨率的人体肝细胞癌CT图像，重建了相应组织的三维结构，结合病理切片研究了肝细胞癌的微观结构和病理特征，主要研究内容如下:
　　1.DEI的衬度机制主要来自于样品对X射线的吸收、折射和小角散射。如何从图像中分离出不同的衬度是DEI的潜在应用关键。利用摇摆曲线的高斯拟合，本文提出了一种改进的信息提取方法，即IDEI(improved DEI)方法。仅需要利用三个位置处的图像，IDEI方法就能准确地分离出样品的吸收、折射和小角散射信息。IDEI方法是EDEI(extended DEI)方法的改进。比较起来，IDEI方法能很好地克服EDEI方法对摇摆曲线进行二阶泰勒近似的缺点。而且，和多图统计法(multiple image radiography, MIR)相比，IDEI仅需要三个输入图像，无疑降低了样品的成像时间和辐射剂量。此外，通过对IDEI模型误差分析进一步研究了引起图像错误的因素。最后，利用计算机模拟和同步辐射实验数据对研究进行了验证。
　　2.利用ILPCI-CT技术，获得了肝癌组织的CT图像和微血管的三维形态，并结合病理切片进行了分析。此外，结合基于相位恢复的相衬CT技术，推导了生物组织的密度与其相位系数的表达式，从而获得了生物组织各处的密度分布，并利用肝癌组织中的微血管CT图像和三维结构，从密度分布角度分析了癌栓和血栓差别。
　　3.研究了不同分化的三维梁索结构显示和分析。首先，利用ILPCI-CT技术重建了肝细胞癌样品的CT图像，并通过和对应位置处的样品切片图像进行对比，证实了ILPCI-CT技术的高度敏感性。其次，对于梁索间没有血浆充斥的组织，结合ILPCI-CT和三维可视化技术重建了肝窦三维结构，同时根据肝窦与梁索结构间的关系，对不同分化程度梁索结构的比表面积与梁索间距进行定量分析，很好地描述了不同分化的肝细胞癌梁索结构和病理特征。最后，对于内含血浆的梁索结构，利用三维纹理分析方法来研究细胞癌梁索结构，研究结果表明，能量、惯量、和的均值以及和的熵4个不同的纹理参数均能清楚地区分不同分化梁索三维纹理特征。

目录

声明

摘要

缩略语／符号说明

第一章 前言

1．1 X射线相衬成像

1．1．1 衍射增强成像

1．1．2 类同轴成像

1．1．3 干涉仪相衬成像

1．1．4 光栅相衬成像

1．2 肝细胞癌

1．3 X射线相衬成像及其生物医学应用

1．3．1 DEI信息分离基应用

1．3．1 相衬成像及其应用

1．4 研究目的和意义

1．5 研究内容和方法

1．6 论文结构安排

第二章 X射线相衬成像原理和实验成像装置

2．1 X射线成像的基本原理

2．2 X射线相衬成像的物理原理

2．3 实验成像装置

2．3．1 北京同步辐射装置

2．3．2 上海光源同步辐射装置

2．4 衍射增强成像基本原理

2．5 类同轴成像基本原理

2．6 本章小结

第三章 衍射增强成像信息提取算法研究

3．1 典型的DEI信息提取算法

3．1．1 Chapman信息提取方法

3．1．2 EDEI方法

3．1．3 GDEI方法

3．1．4 MIR方法

3．2 IDEI算法

3．3 IDEI算法的误差分析

3．4 吉洪诺夫正则化

3．5 实验结果与分析

3．5．1 计算机仿真模型研究

3．5．2 同步辐射实验验证

3．6 本章小结

第四章 人体肝细胞癌的相衬成像辅助诊断

4．1 实验材料及方法

4．1．1 肝细胞癌样品处理

4．1．2 成像试验方法

4．1．3 数据处理方法

4．2 结果

4．2．1 肝癌血管形态分析

4．2．2 癌旁微血管及癌栓的重建

4．2．3 肝细胞癌粱索结构三维重建及分析

4．3 讨论

4．4 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 基于衍射增强成像的相位信息提取及应用

致谢