利用相位衬度成像技术研究胃癌微血管形态与转移的相关性

Metastasis is the most important feature of malignant tumor. The metastasis, either the tumor cell crossing the basement membrane or the angiogenesis of the tumor, plays important role in vessel morphology. Limited by the imaging techniques, it is still difficult to observe the morphological changes of the vessel network in three-dimension during the metastasis. X-ray phase contrast imaging displays great prospect in disease diagnosis due to its production of high contrast and high spacial resolution (in microns) of soft tissues. By the microvessel imaging from the X-ray phase contrast imaging method, our project then studies the characteristics of the gastric cancer metastasis and the relation between metastasis and vessel morphology. Our preliminary studies have shown that microvessels imaging can be used to observe the morphology of gastric cancer in nude mice. In the project, we plans to establish non-metastasis and hepatic metastasis mice orthotopic implantation model by selecting different human gastric cancer cell lines; to quantify the morphology feature of microvessels using image segmentation and image feature extraction approaches. This study would provide evidence to distinguish different metastasis ability and finally to diagnose the metastasis of the cancer in the early stage. This project is also important for establishing therapeutic strategy and improving the prognosis.

转移是胃癌最重要的恶性特征。胃癌的转移过程，不管是细胞穿过基底膜还是瘤体血管生成，都会对血管造成影响。由于受到成像水平的限制，三维全面地观察转移过程中微血管的改变还是一个尚未完全解决的难点。本项目使用对弱吸收组织具有高衬度、高空间分辨率（微米级）的X射线相位衬度成像技术，从微血管成像的角度入手，研究胃癌的转移特性，探索胃癌转移性与微血管形态的关系。我们近期研究发现，相位衬度成像能够观察到裸鼠胃癌模型微血管形态异常。在此基础上，本研究选取不同胃癌细胞系，分别建立不转移的裸鼠胃癌原位模型和肝转移的裸鼠胃癌原位模型，提取和量化相位衬度图像中三维血管的形态学特征，以达到对不同转移性胃癌的区分，从而实现通过微血管成像对胃癌转移性的早期诊断。研究结果对胃癌预后的判断和治疗方案的制定有重要意义。

肿瘤血管生成与肿瘤的发生、发展等各个环节密切相关，并且显著影响着肿瘤的生物学行为，在判断治疗效果和预后上具有重要价值。由于受到成像水平的限制，三维全面地观察肿瘤微血管情况还是一个尚未完全解决的难题。本项目的目的是使用对弱吸收组织具有高衬度、高空间分辨率的X射线相位衬度成像技术实现胃癌微血管的三维可视化，并对微血管生长情况提出定量评估方法，探索胃癌微血管形态结构与胃癌转移性的关系。. 相位衬度成像利用X射线穿过成像物体时所引起的相位变化而获得图像衬度，和传统的基于吸收的X射线成像相比，它对软组织有更高的衬度和空间分辨率，解决了生物软组织成像的难题。本项目的成像实验主要采用上海光源的同步辐射类同轴X射线相衬成像方法对小鼠胃癌样本进行成像。通过图像增强、血管分割、中心线提取和三维重建等算法，实现了清晰、精细的胃癌血管三维显示。同时选择血管直径、血管长度、血管分叉数量、血管卷曲度和微血管密度等指标来对胃癌血管形态进行测量，建立胃癌血管形态学评估体系。进而对胃癌样本的微血管进行整体评估，成功发现微小的早期肿瘤，直径小于600μm。在此过程中改进了三维微血管密度的计算方法，避免了血管直径和血管不连续对密度结果的影响。此部分结果证明，相位衬度成像在发现早期肿瘤的研究中具有很大的优势和应用前景。. 在胃癌转移特性研究方面，本项目建立两类胃癌的小鼠模型，分别为高转移组和低转移组。实验结果显示高转移和低转移的胃癌模型相位衬度成像结果肉眼无法区分。因此本项目使用机器学习的方法，通过对微血管网络图像特征的有效提取，构造支持向量机（Support Vector Machine，SVM）自动检测模型，对不同转移性的肿瘤样本进行分类。交叉检验结果的正确率接近90%。本项目的意义在于可以通过影像学手段判断肿瘤的转移特性，有助于对胃癌的恶性程度、转移潜力等进行评估，并对治疗方案的选择和判断预后具有重要意义。