同步辐射在显微CT中的应用

计算机X射线断层成像技术(CT)是利用X射线的穿透能力对物体进行扫描,所得信号经过反投影的算法而得到物体二维分布的一种成像方法,已经在医学诊断、工业探伤等领域广泛应用。但是由于实验室光源的低通量,光源点大小及其单色性等限制了其向高分辨发展,通常其分辨率在0.5mm左右。利用微焦点X射线源作为光源的显微CT分辨率可以达到微米量级,但是由于其光通量低且为非单色光,对不同样品有不同程度的束线硬化,影响了其真实分辨率。同步辐射作为一种新兴的光源有高亮度、高光子通量、高准直性、高极化性、高相干性及宽的频谱范围的特点,配合高分辨的X射线探测器,可以发展同步辐射显微CT,其分辨率可达10μm以下。利用同步辐射的高空间相干性开展位相衬度显微CT的研究,对低吸收物质也可以清晰三维成像。新建的上海光源的X射线成像及生物医学应用线站开展了三维显微CT方面的研究,经过初步试验,得到了较好的结果。

同步辐射显微CT的人关节软骨三维成像研究

目的:探讨同步辐射显微CT(SR-μCT)相位对比技术成像研究人软骨细微组织结构的可行性。方法:3例直径约1 mm,高度约4 mm的圆柱状离体人软骨(正常1例,轻度损伤1例,重度损伤1例)样本,经4%甲醛溶液固定后行SR-μCT扫描,扫描后将原始投影图像相位恢复,切片重构及三维重建,而后与病理图片对照,对比分析SR-μCT图像的细胞形态,大小及排列方式;比较正常标本与软骨损伤标本的胶原原纤维网的改变。结果:SR-μCT重建图像可以清楚显示软骨细胞、软骨陷窝及排列方式,与病理切片高度吻合。经MIP重建,可以显示软骨基质内的胶原原纤维网,正常软骨呈垂直于软骨下骨面的平行排列,其横截面呈拱形网状,轻度软骨损伤标本纵向呈弯曲状排列,其横截面可见轻度塌陷,重度软骨损伤表现为横截面明显塌陷,纵切面纤维排列紊乱。结论:SR-μCT可实现软骨细胞水平的成像,经合适阈值处理,可以显示胶原原纤维网三维结构。

基于X射线相衬显微CT的肝肿瘤定量分析研究

新生血管对肿瘤提供无限生长的应用,但目前传统成像技术只能实现200μm的血管。本研究收集乏血型和富血型肝肿瘤标本20例,进行X射线相衬断层图像中可清晰显示肝肿瘤组织微血管的分布特征,与对应病理切片表现基本相吻合;通过灰度直方图和灰度-梯度共生矩阵提取图像特征,肿瘤图像特征统计结果表明两组存在显著差异(P<0.05),富血型肿瘤相比于乏血型肿瘤组织图像灰度分布不均匀、变化不规则、图像复杂度升高、清晰度降低,为进一步对不同类型肝肿瘤的诊断和特征评价提供数据支持和科学依据。

基于同步辐射显微CT技术研究冻干口腔崩解片的精细结构

采用低温冰颗粒直压冻干法制备口腔崩解片,与模制冻干法相比较,以同步辐射显微CT技术(SR-μCT)观测片剂内部的精细结构,得到显示内部结构差异的切片图,构建三维模型,确定灰度阈值后,提取片剂子结构,定量分析子结构,同时测定片剂的崩解性质和脆碎特征,研究片剂内部精细结构与其药剂学性质的关系。SR-μCT观测结果显示,不同制备工艺、处方所得的口腔崩解片的精细结构存在显著的差异,模制冻干法得到一体化致密网状结构,而低温冰颗粒直压冻干法得到松散聚集状态颗粒结构,这些结构特征合理地解释了低温冰颗粒直压法所得冻干口腔崩解片崩解迅速的机制,其微观子结构决定了片剂结构力学的宏观性质。结果显示,SR-μCT表征制剂内部精细结构的研究对阐明速释制剂的崩解特征有重要意义。

基于同步辐射显微CT的肾结石微观结构特征研究

肾结石是全球的泌尿系统常见病、多发病,且复发率高居不下。一般认为,尿中结石晶体的盐类呈超饱和状态,以及尿中抑制晶体形成物质不足是肾结石产生的主要因素。肾结石病因较复杂,目前提出了多种有关肾结石病因的学说,主要是从人体种族遗传、疾病、代谢和饮食习惯等方面研究结石病因,来推测其导致不同的种类的产生,再针对性制定治疗方案,但临床上肾结石内科治疗效果仍欠佳。积极探索肾结石形成和生长机制,无疑能对科学治疗肾结石有积极的意义。直观观察到结石的内部结构,并根据这些结构特征推测出结石的形成和成长轨迹,是研究肾结石形成和生长机制的重要一环。传统的研究手段难以无损获得结石的内部结构,目前未见肾结石微观结构相关报道。高分辨率显微CT特别是同步辐射X射线显微CT的出现,无疑能为这一研究提供先进的检测手段。上海同步辐射光源作为第三代优质同步辐射光源,具有高光子通量、高准直性、高极化性、高相干性及宽频谱范围等特点,其配合高分辨的X射线探测器可实现精确、灵敏的组织结构信息的快速、无损检测,在保持标本完整性的前提下,清晰再现样品内部的三维显微结构,从而克服了传统的二维切片技术存在破坏组织结构的完整性、无法准确获得组织结构的三维空间信息和基质成份等局限性。利用上海同步辐射光源X射线显微CT技术,对32例肾结石患者的结石微观结构进行了解析。实验结果表明肾结石内部结构差异明显,可归纳为6种类型:Ⅰ两相密实型;Ⅱ结晶型;Ⅲ连续多层沉积型;Ⅳ非连续多层沉积型;Ⅴ镶嵌式多孔型;Ⅵ复合型。研究结果有助于进一步深入揭示肾结石生长机制,也为肾结石更为精准治疗提供了新的科学视角和依据。

运用同步辐射显微CT揭示红壤团聚体内孔隙形态与空间分布

团聚体内部复杂的孔隙系统及其空间分布决定土壤团聚体的主要功能,以及发生在团聚体内的各种物理、化学和生物学过程。应用同步辐射X射线显微成像技术(SR-mCT),对第四纪红土发育的红壤团聚体内部孔隙形态、连通性、各向异性、大小分布和空间分布进行了研究。结果表明,红壤团聚体内部的孔隙形态、孔隙生长方向、大小分布存在明显差异。稳定性较好的团聚体表现为团聚体孔隙含有较多大孔隙、孔隙形态各异、各向异性、多联通孔隙等特征,团聚体内>30mm大孔隙分布比较均匀,中心部位较高,呈中间向圆周减小趋势;反之,稳定性较差的团聚体中,孔隙以小孔隙为主,分布密集,孔隙生长方向均匀,团聚体孔隙空间分布为大孔隙,主要分布在团聚体外围,中心部分分布较少。团聚体内部孔隙的空间分布模式能够很好地解释土壤团聚体结构和稳定性差异的原因。同步辐射显微CT结合图像处理技术能够系统地表征团聚体内孔隙的多样性和空间变异规律,为预测土壤团聚体中各种物理过程提供新途径。

用同步辐射X射线相反衬成像研究PM_(2.5)诱导的大鼠肺炎

应用中流量采样器采集典型工业污染区空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物(PM2.5)。用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析其元素含量。以SD大鼠为实验对象,进行一次性气管灌注PM2 5溶液0.4 mL(3.0g/L,pH≈6.8)染毒,对照组用生理盐水。1、2天后观察肺组织病理改变并应用同步辐射X-射线相反衬成像研究肺组织的形态特征变化。结果显示,染了毒的大鼠肺具有肺炎的特征,相反衬成像观察到对应的染毒组肺中具有许多气泡,而对照组没有;随染毒后时间的增加气泡增多,对应的病理切片特征也显示炎症的增加,同时观察到,肺出血是在含有气泡部位出现,其间的肺泡也萎缩。结果提示了在颗粒物染毒诱导大鼠肺炎过程中,肺泡排气功能丧失导致局部空气滞留于肺泡中,进一步炎症引起肺出血继而导致肺细胞死亡的机制。

同步辐射软X射线显微成像

软 X射线显微成像是同步辐射最主要的应用之一 .本文简明介绍软 X射线显微成像的衬度机制、光源。

同步辐射X射线三维显微成像

本文介绍了利用同步辐射进行X射线三维成像的工作原理及进展状况 ,详细论述了X射线三维成像的两种方法 ,X射线全息及CT技术 ,以及通过两者的结合 (HCT)进行高分辨率三维成像的有关理论与实验技术 ;介绍了同轴全息中消除“双生像”噪声的数字方法 ,讨论了影响分辨率的各种因素 ;

利用全息相衬干涉显微术研究EDTA对KDP晶体生长习性的影响

利用全息相衬干涉显微术 (HPCIM)研究了EDTA对KDP晶体 (10 0 )柱面和 (10 1)锥面生长习性的影响。通过界面边界层宽度的变化 ,可以直观地观测到在溶液中添加少量的EDTA后 ,促使KDP晶体沿柱面和锥面的生长 ,特别是对柱面的影响更为显著 ,并对此作了解释。最佳的EDTA浓度范围有待于进一步研究。

20 Hz高时空分辨X射线单色光动态显微CT研究

与白光X射线动态显微CT(Micro Computed Tomography)相比,单色光X射线动态显微CT具有较低的辐射损伤和较高的密度分辨率,但是更难以平衡其空间和时间分辨率。目前,单色光X射线动态显微CT的最高时间分辨率可达到13.3 Hz,探测器有效像素尺寸为5μm。为了构建具有更高时空分辨率的单色光X射线动态显微CT系统,基于上海光源快速X光成像线站(BL16U2)的高通量密度单色光,将高速转台与三镜头大数值孔径快速X射线成像探测器相结合,构建了实验系统。以速发型聚氨酯材料为研究对象进行了验证实验,在15 keV单色光下动态显微CT的时间分辨率达到了20 Hz,探测器有效像素尺寸为2.2μm。对气泡运动进行相关定量分析,证明该系统具有高时空分辨率和高对比度分辨率,可以对复杂运动系统进行四维时空定量分析,为BL16U2线站用户进行高时空分辨率的复杂原位研究提供了强大的实验平台。

显微相衬技术分析去白细胞悬浮红细胞上清液不同存储期内细胞碎片及微粒的图像变化

目的探索库存去白细胞悬浮红细胞,随着保存时间的延长,红细胞破损或溶血而产生的细胞碎片及微粒变化,为输血安全提供启示性实验基础。方法取不同保存天数(3、7、14、21d)的库存去白细胞悬浮红细胞进行上清液制备,通过显微静态图像分析技术对上清液中的微粒进行观察和形态分析。结果保存3d和7d的样品上清液中可见少量微粒,微粒大小和细胞相仿;从14d开始微粒的数量显著增加,微粒粒径更小,到21d微粒铺满了整个视场,呈现碎片化。结论保存期超过14d的库存去白细胞悬浮红细胞,其上清液的细胞碎片及微粒显著增多,较保存期不到14d的细胞均有显著的差异。这些外源细胞碎片或微粒可能会成为抗原并引起机体的免疫反应,导致输血不良反应发生,建议临床上给患者输注保存期在14d以内的去白细胞悬浮红细胞。

基于X射线相衬显微断层成像的真皮纤维架构表征

越来越多的研究表明,皮肤中的组织液可以沿纤维轨道长程流动。这种以纤维丝为轨道的液体流动与真皮层和皮下组织层的纤维骨架有关,而其中的三维纤维骨架结构尚未得到表征。利用上海同步辐射光源BL13W1线站的X射线相衬显微断层成像技术,得到了真皮层和皮下组织层内部的三维纤维骨架结构,结合计算机图形处理技术,成功表征了人体皮肤中的三维纤维骨架结构,发现真皮层中的纤维骨架具有长程有序且与真皮深度紧密联系的分布特征。为理解皮肤中组织液的长程流动现象提供了一种高分辨率的表征方法。

基于显微CT的石墨内衬的孔隙及其分形特征

针对稀土电解槽石墨内衬破损问题,通过显微CT扫描对石墨内衬孔隙结构进行了定量表征,利用这些孔喉参数可以分析空气和电解质在石墨内衬中的流动情况.结果表明:该样品的孔隙度为19.44%,孔喉半径大都在1~6μm;孔喉形状因子为0.02~0.05,这表明其形状大多不规则,空气和电解质在其内部的流动阻力大,从而减缓了其氧化腐蚀;平均孔喉比,平均孔隙体积、平均喉道体积分别为2.28,1 177.64、106.19μm^3,意味着孔隙间有较大的喉道连通,空气和电解质在其内部的流动阻力较小,从而加速了其氧化腐蚀.进一步应用分形理论分析发现:该石墨内衬孔隙构造符合分形规律,其分形维数可以很好的说明孔隙分布复杂程度.最后建立了石墨内衬孔隙率的分形表达式,由此计算石墨内衬的理论孔隙率为21.46%,这与其实际孔隙率19.44%相差不大,可以用此式来预测石墨的孔隙率.

基于X射线相衬CT的微脉管三维成像研究进展

组织内的微脉管形态变化被认为是多种疾病进展中最重要的病理生理学特征之一。X射线相衬CT(X-ray phase-contrast computed tomography,PCCT)利用X射线穿过物体时引起的相位变化作为成像衬度,它能够在不注射造影剂的情况下高分辨率地呈现生物软组织内的三维(three-dimensional,3D)微脉管结构,并可通过精准的3D定量评估进一步揭示疾病进程中微脉管系统的适应性改变。本文综述了近年来相衬CT技术在肝脏、大脑、脊髓、肾脏和肺等软组织的微脉管系统成像中的研究进展,并总结了各疾病模型中与脉管异常相关的病理变化,为微脉管系统的3D可视化和定量分析提供了新的显微影像学检查工具。

基于机器学习方法的肝癌X射线相衬CT图像分类研究

肝癌是我国恶性肿瘤发病率和死亡率较高的癌症之一,传统医学影像设备因成像机制导致成像分辨率不足,对肝癌的检查和诊断具有较大的影响。基于同步辐射的X射线相衬显微CT成像具有极高的灵敏度和分辨率,结合机器学习方法建立肝癌分类模型,为肝癌辅助诊断提供参考。收集弥漫型和溃疡型肝肿瘤X射线相衬图像各500幅,归一化和中值滤波后提取灰度直方图、灰度共生矩阵、灰度-梯度共生矩阵和灰度差分统计等灰度及纹理特征,并组合成融合特征,采用十折交叉验证法进行机器学习方法的训练和分类。使用支持向量机、随机森林和神经网络等3种分类算法对肝癌图像进行分类,灰度共生矩阵特征和神经网络分类算法下分类准确率最高,达到99.5%,取得较好的分类效果,有望帮助医生准确完成肝肿瘤类型的鉴别。

鼠脑神经网络的同步辐射3D成像研究

探讨同步辐射吸收衬度成像技术在观察高尔基-考克斯染色小鼠脑显微神经网络3D成像中的应用。将12只正常C57小鼠随机分为A、B两组,进行灌注取脑,A组不做染色处理,B组鼠脑进行高尔基-考克斯染色处理,并于梯度乙醇中脱水,标本在上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)X射线成像与生物医学应用光束线站(BL13W1)进行扫描,用Amira等软件处理数据。成像结果显示,X射线吸收衬度成像技术作为一种先进的显微神经网络立体呈现方式,图像精准呈现了小鼠小脑神经网络结构以及单个神经元形态,为小鼠脑神经元的形态学研究提供了三维可视化的新方法、新思路。同步辐射可实现高精度3D神经成像,克服了传统染色2D组织学需要切片对样本造成破坏等劣势,本方法与高尔基-考克斯染色结合,可对局部脑区的显微神经网络构筑进行无损研究且保留了脑部的完整性。

基于分数阶螺旋相位片的定量相位显微成像

螺旋相衬显微术利用螺旋相位滤波器实现了样品振幅和相位的定量测量,可被广泛应用于生物医学成像、工业检测等领域.然而,传统的螺旋相衬显微术需要通过三步相移法进行相位恢复,图像采集和处理过程相对复杂,时间分辨率较低.为了提升其特性,本文提出了一种基于分数阶螺旋相位片的定量相位成像方法和系统,通过一幅经分数阶螺旋相位滤波的样品强度图像,利用改进的Gerchberg-Saxton迭代相位恢复算法实现了样品相位的定量重构,简化了实验过程和相位重构步骤.计算机模拟实验研究了基于不同拓扑荷数的螺旋相位片的相位成像和重构过程,分析了其可行性.最后,通过对定制的相位型光栅和生物细胞样品进行了成像和相位重构,验证了基于分数阶螺旋相位片的相衬显微方法可以有效地提高螺旋相衬显微成像的对比度,能够定量获其样品的相位信息,对于螺旋相衬显微术的发展具有重要的研究意义和应用价值.

同步辐射显微CT研究药物制剂结构的进展

固体药物制剂的结构研究是实现优化给药的基础,也是给药系统创新的重要内容。同步辐射显微CT(synchrotron radiation X-ray microtomography,SR-μCT)技术,不仅能够在微米、亚微米级分辨率上展示药剂粉体、微粒给药系统、片剂类固体剂型等三维静态形貌特征,而且能够连续观察缓控释制剂释药过程中的动态变化,揭示释药速率的关键结构因素,为新型给药系统的设计、质量控制提供依据和新方法。综述了同步辐射显微CT在药物制剂结构研究方面的国内外进展。我国新近应用该技术开展了药剂粉体颗粒的表征、制剂微观结构及基于结构的释放动力学研究,在药物的晶型研究、颗粒混合及分层的评价、制剂复杂结构的分形特征、难溶性药物凝胶骨架片的水化动力学和渗透泵三维立体释放动力学研究方面取得了一系列进展。