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X射线相干散射成像及医学应用
   【摘要】   X射线相干散射在医学中的应用是当前的一个极有前途和极富挑战性的课题。本文概述了X射线相干散射成像技术的原理和在医学中的应用。从临床应用的角度对其进行了展望。

  【关键词】  相干散射;成像;骨矿密度
   
    X射线相干散射(X-ray coherent scatter)即X射线前向小角度散射。劳厄(Max von Laue)发现了X射线衍射现象,在1912年人们第一次获得了X射线相干散射图像,那是对铜的晶体结构成像。X射线相干散射技术可以用来检测分子和超分子结构的类型。所以在对物质的晶体结构进行分析时,X射线相干散射是一种有效的方法。

  X射线发现至今100余年来,其应用沿着两个不同方向在发展:一个是在医学诊断上使用透射成像方式辅助进行医学的诊断;另一个是X射线的散射,它主要被用于对物质的原子和分子结构的研究;X射线相干散射在医学中的应用研究还是最近十几年的事情。国外的一些医学研究机构和放射线技术研究机构都对X射线相干散射作用在医学诊断上的应用给予了极大地关注,并取得了一些初步的研究成果。

    在医学临床应用中,目前放射线影像设备主要还是应用X射线的透射衰减效应作为成像的主要手段。但是由于透射成像对细节展示能力不够,影像只能够反映某些人体组织的病变,对许多疾病不能准确判断。例如,X射线乳房透视成像术对妇女的乳腺癌的诊断的假阳性率很高,有大约20%的患者必须另外做活体组织检查来确诊[1]。同时,假阴性的比率也很高,相对那些准确确诊的癌症患者的比例,大约10%被误诊为阴性。在研究中X射线相干散射所表现出的特性,为上述的问题的解决提供了一种切实可行的方法,人们正考虑应用X射线相干散射技术辅助进行更为精确的医疗诊断,相信在未来的医学影像技术中它会得到广泛的应用。

  1  X射线相干散射的基本原理

  对于纯晶体,X射线相干散射(衍射)图形由一系列的亮点组成,这些亮点是由物质内部不同的原子平面反射回来的X射线干涉形成的。这些点的位置可以由著名的布拉格方程描述:2dsinθ=nλ(1)
这里λ是参与衍射的单色射线的波长,d是不同原子平面之间的间距,θ是入射线与原子平面之间所成的角度,n是对应于不同衍射级的一个整数。在进行X射线的相干散射成像时,需要旋转晶体使所有潜在的反射都满足1次布拉格方程条件,然后收集这些反射光的数据,形成衍射图案。这时图案中亮点的强度是相应原子结构的傅里叶成分的1个振幅测度。

  医学上,相应的生物物质成分所产生X射线相干散射较少。这是因为生物组织内部含有的晶体结构比较少,因此认为产生的相干散射现象比较弱。当X射线透射过人体时,X射线与人体组织之间会发生X射线的相干散射、非相干散射和光电效应3种相互作用。发生X射线相干散射的时候,X射线光子与原子的电子发生相互碰撞,发生碰撞时的光子传递给电子的能量远远地小于原子对电子的束缚能量。因此,原子既不会被电离,也不会被激发,所有的反冲动量完全被原子吸收。在这种情况下,被原子束缚的电子所散射出去的辐射的波长与入射线波长是一样的。散射光子之间都有一个固定的相位关系,所以可以发生结构干涉作用。在满足布拉格方程条件的情形下,会产生光学的干涉图案。光子与物质发生相干散射效应的概率用截面表示,称作相干散射效应截面δ。对于水,在入射的X射线的能量大于25keV时,超过50%的X射线在透射过程中发生了散射作用[2]。在散射角θ≈0时,由于原子对电子的束缚作用,非相干散射截面迅速减少。从θ<24.6°开始,相干散射截面超过非相干散射截面。当入射线能量降低时,这个角度相对变大。这说明,在相对入射方向的前向小角度范围内主要的散射效应是相干散射 [3~5]。

  2  相干散射图案特征分布应用研究

  Leclair 等人提出了一种类似于X射线透射衰减成像的评价模型:对比度(C)和信噪比(SNR)评价模型[6]。这里:C=2 |NT-NB|   NT+NB      SNR=|NT-NB|   NT+NB (2)其中NT为目标物体的相干散射的计数,NB为背景物体的相干散射的计数。在相关的实验中,作者选用了肝脏、脂肪、骨骼、肌肉、血液和脑组织做了相同条件下的目标、背景对比试验,结果表明相干散射得到的对比度和信噪比要比传统的透射成像好得多。进一步的实验表明实验的结果和理论模型的预测结果有比较好的近似。这种模型能够被用来设计和优化X射线的相干散射成像系统[7]。Leclair等在研究不同的动量传递系数x对模型结果的影响中,发现对比度和信噪比的最大值出现与x值有确定的关系。在他们针对乳腺癌的病灶样品进行的最新实验研究中,进一步证实了所提出的模型在乳腺癌的诊断中具有潜力[8]。进一步的实验正在进行中[9]。

  利用X射线相干散射图案的角度分布或者能量分布特征,不同的研究工作者对不同的实验样品在不同的研究条件下进行了研究。Royle等人使用临床X射线,利用图案的能量分布特征对人的股骨头内部骨成分和骨髓容积进行比较分析。在相干散射图案中,骨成分和骨髓分别形成两个能量峰值,对两个峰值进行量化比较,提出了联合参数的对比曲线,可以用于定量的分析[10]。Elshemey等人对冻干的生物样本进行了相干散射的能量分布峰值分析,对包括各种蛋白成分的牛奶、脂肪、肌肉组织以及DNA在内的复合样品进行了相干散射的研究。发现蛋白质成分单独形成了一个额外的峰值,这说明与蛋白质成分相关的参数可以作为一个分析的特征值[11~12]。针对肝癌和肝硬化的早期诊断进行的相干散射试验研究中。结果表明肝硬化和肝癌的冻干血清的散射峰值同正常的血清峰值有很大的不同,这无疑提供了对这类疾病早期的诊断的可用信息[13]。对乳腺癌的进一步研究是由Fernández等人进行的,在他们的实验中,选用了经过组织病理检验过的离体的乳房癌组织。通过与病理分析结果的对比分析发现,离癌细胞较远的胶原组织的散射图案和癌细胞的散射图案有很大的不同,这种不同提供了足够的信息可以利用X射线的相干散射图案进行乳腺癌放射成像的诊断[14]。

  3  X线相干散射成像医学应用展望

  目前,X射线相干散射技术的研究还处于实验室研究阶段,临床应用上的研究侧重于对几种具有代表性疾病的诊断研究,例如:骨质疏松症、软骨病、乳腺癌等。在我国,还没有这方面技术研究的报道和文献出现。随着实验室技术的成熟,相干散射技术的研究也在向着临床应用的方向上发展,这些技术特有的优点必将会为医学放射影像诊断技术提供更加强有力的辅助工具。

  研究中还存在着很多未解决的问题,这也是在进行这方面研究时所必须关注的:一个是射线源,文献中的大部分实验是使用SR(同步辐射)[15]进行的,SR有它在实验应用上的各种优点:高强度、连续的宽光谱(从红外-X射线)、自然准直、射线源尺度小、高度极化和脉冲节拍结构等,但是它不能够替代临床应用的射线源。以我国筹建中的上海同步辐射装置为例,它由一台长度为30m的300MeV电子直线加速器、一台周长160m的3.5GeV增强器(同步加速器)和一台周长400m的3.5GeV存储环组成。因此,目前只能够进行一些基础性的研究。另一个就是射线的单色性,目前大部分的实验结果都是在单色射线下取得的,而在实际的临床射线源中,经常是多光谱和扇形的线束。虽然Leclair等在实验[16]中已经验证了:在实际的应用中,单色射线不是必需的。但是,实验中的理论模型是否仍然可以适用是一个问题。再一个是实验中的样品在尺度和体积上都与人体相差很多;使用的射线的剂量也比临床的要求高出很多;活体组织的成像与样品成像之间的差异等。

  虽然目前说X射线的相干散射技术会成为医院中新的医学影像模式为时尚早。但是,相干散射CT已经作为一种新型CT成像手段被使用。

  目前X射线相干散射技术在临床应用上存在的问题会随着研究的进展而逐渐得到克服。真正将X射线相干散射技术应用到临床实践中还需要做许多的科研工作。




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