基於醫學套用的X射線光柵綜合成像關鍵技術研究

《基於醫學套用的X射線光柵綜合成像關鍵技術研究》是依託清華大學，由陳志強擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：基於醫學套用的X射線光柵綜合成像關鍵技術研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：陳志強
• 項目類別：重點項目

項目摘要

傳統X射線成像是利用物質對X射線的衰減特性來進行成像，導致其對弱吸收的軟組織解析度較低，因此對很多軟組織疾病的診斷價值非常有限。在常規X光源條件下基於光柵的X射線綜合成像技術能同時獲得反映物質內部結構的衰減圖像、相襯圖像和暗場圖像，既保持了傳統X射線衰減成像的優點，又結合了相襯和暗場成像對軟組織具有高分辨能力的優勢，因而在軟組織病變如乳腺癌等診斷中具有非常好的套用前景。本項目將深入開展基於光柵的X射線綜合成像技術及其在軟組織病變診斷套用中的基礎研究，解決其關鍵物理機理和建模問題，研究低劑量條件下衰減、相襯和暗場三種信息的獲取方法和融合算法，設計及搭建成像實驗平台，開展一系列基礎實驗研究。本項目的研究成果將為新一代的X射線綜合成像技術的臨床實用奠定理論和套用基礎，為我國在硬X射線醫療套用中突破國外醫療公司的技術壁壘和封鎖，推出具有自主智慧財產權的新一代X射線綜合成像醫療影像設備做出貢獻。

結題摘要

X射線光柵綜合成像技術能同時獲得物質內部結構的吸收、相襯和暗場圖像信息，既保持了傳統X射線吸收成像的優點，又融入了相襯和暗場圖像對軟組織的高分辨能力，在軟組織病變診斷中具有較好的臨床套用前景，因此，項目組開展了基於醫學套用的X射線光柵綜合成像關鍵技術研究。從2013年至2017年，針對X射線光柵綜合成像技術的關鍵物理問題、系統建模方法和性能最佳化、信息提取和圖像重建、實驗平台建設、X射線吸收相襯暗場圖像的醫學套用等進行了一系列深入的研究工作，並取得了階段性的成果。項目組首次綜合考慮了各種系統參數的影響，構建了基於Talbot-Lau效應的光柵成像系統和基於幾何投影的光柵成像系統的物理模型，提出了X射線光柵綜合成像三種信息的微觀表達，開發了計算機數值模擬平台，並通過實驗驗證了模型的正確性。通過模擬平台研究獲得了幾何投影系統的靈敏度隨各系統參數的變化規律，首次提出了幾何投影系統靈敏度的解析表示，獲得了基於幾何投影和Talbot-Lau效應的光柵綜合成像系統的最最佳化設計方案。針對X射線光柵綜合成像信息提取的關鍵技術問題，提出了一系列快速、有效的信息提取方法，更全面地獲取物質的圖像信息。針對影響光柵成像系統成像質量的圖像偽影提出了針對性的融合、降噪、偽影消除方法，有效提升了圖像質量。項目組搭建起世界首套同時實現基於幾何投影和基於Talbot-Lau效應的光柵成像實驗平台，先後進行了鼠肝癌標本、人體乳腺癌切除標本、活體小鼠、鼠骨關節創傷標本等生物醫學成像實驗，實驗表明光柵綜合成像可以表現更豐富的病理特徵。首次提出Q值作為生物樣品圖像區分物質的一種特徵，對良惡性乳腺腫瘤中的鈣化點和乳腺組織邊界具有更好的區分能力；血管、纖維組織、壞死組織等許多特徵僅在相襯和暗場圖像中清晰可見並能明確區分；骨關節暗場圖像中清楚顯示脛骨平台軟骨、半月板等細節；對活體小鼠體內的組織形態、病變發展、生理生物活動獲得清晰的成像。圖像特徵與磁共振成像、病理切片染色結果呈現一致性。多種生物樣品的實驗結果證實X射線光柵綜合成像同時提供的體現物質不同性質、互為補充、完全配準的三種信息，可提供體現組織及其病變病理信息的特徵，在生物醫學影像中具有較好的臨床套用價值。軟組織及其病變的物理內涵和表現形式的研究，為後續進一步進行X射線光柵綜合成像的生物實驗研究和綜合成像系統進入臨床實踐打下堅實基礎。