基于医学应用的X射线光栅综合成像关键技术研究

Conventional x-ray radiography is based on the attenuation property of an object. The application of conventional x-ray radiography in diagnosis of soft tissue diseases is limited due to its relatively low contrast for weakly absorbing soft tissues. X-ray grating-based multicontrast imaging using a conventional X-ray tube can provide attenuation, phase-contrast and dark-field information of the sample simultaneously, providing superior contrast for soft tissues while preserving the merits of conventional x-ray radiography. Therefore, this new technique has a broad application prospect in diagnosis of soft tissue diseases such as breast cancer. This project includes an intensive study of the new technique as well as its potential application in diagnosis of soft tissue diseases. Some key problems in physics, multiple information fusion, the design of the prototype platform and experimental study will be covered in the project. The research results will lay a solid theoretical and experimental foundation for the practical use of this new X-ray imaging technique. The advent of this cutting-edge medical imaging product with self-owned intellectual property right will make a major breakthrough in the related field in China.

传统X射线成像是利用物质对X射线的衰减特性来进行成像，导致其对弱吸收的软组织分辨率较低，因此对很多软组织疾病的诊断价值非常有限。在常规X光源条件下基于光栅的X射线综合成像技术能同时获得反映物质内部结构的衰减图像、相衬图像和暗场图像，既保持了传统X射线衰减成像的优点，又结合了相衬和暗场成像对软组织具有高分辨能力的优势，因而在软组织病变如乳腺癌等诊断中具有非常好的应用前景。本项目将深入开展基于光栅的X射线综合成像技术及其在软组织病变诊断应用中的基础研究，解决其关键物理机理和建模问题，研究低剂量条件下衰减、相衬和暗场三种信息的获取方法和融合算法，设计及搭建成像实验平台，开展一系列基础实验研究。本项目的研究成果将为新一代的X射线综合成像技术的临床实用奠定理论和应用基础，为我国在硬X射线医疗应用中突破国外医疗公司的技术壁垒和封锁，推出具有自主知识产权的新一代X射线综合成像医疗影像设备做出贡献。

X射线光栅综合成像技术能同时获得物质内部结构的吸收、相衬和暗场图像信息，既保持了传统X射线吸收成像的优点，又融入了相衬和暗场图像对软组织的高分辨能力，在软组织病变诊断中具有较好的临床应用前景，因此，项目组开展了基于医学应用的X射线光栅综合成像关键技术研究。从2013年至2017年，针对X射线光栅综合成像技术的关键物理问题、系统建模方法和性能优化、信息提取和图像重建、实验平台建设、X射线吸收相衬暗场图像的医学应用等进行了一系列深入的研究工作，并取得了阶段性的成果。项目组首次综合考虑了各种系统参数的影响，构建了基于Talbot-Lau效应的光栅成像系统和基于几何投影的光栅成像系统的物理模型，提出了X射线光栅综合成像三种信息的微观表达，开发了计算机数值模拟平台，并通过实验验证了模型的正确性。通过模拟平台研究获得了几何投影系统的灵敏度随各系统参数的变化规律，首次提出了几何投影系统灵敏度的解析表示，获得了基于几何投影和Talbot-Lau效应的光栅综合成像系统的最优化设计方案。针对X射线光栅综合成像信息提取的关键技术问题，提出了一系列快速、有效的信息提取方法，更全面地获取物质的图像信息。针对影响光栅成像系统成像质量的图像伪影提出了针对性的融合、降噪、伪影消除方法，有效提升了图像质量。项目组搭建起世界首套同时实现基于几何投影和基于Talbot-Lau效应的光栅成像实验平台，先后进行了鼠肝癌标本、人体乳腺癌切除标本、活体小鼠、鼠骨关节创伤标本等生物医学成像实验，实验表明光栅综合成像可以表现更丰富的病理特征。首次提出Q值作为生物样品图像区分物质的一种特征，对良恶性乳腺肿瘤中的钙化点和乳腺组织边界具有更好的区分能力；血管、纤维组织、坏死组织等许多特征仅在相衬和暗场图像中清晰可见并能明确区分；骨关节暗场图像中清楚显示胫骨平台软骨、半月板等细节；对活体小鼠体内的组织形态、病变发展、生理生物活动获得清晰的成像。图像特征与磁共振成像、病理切片染色结果呈现一致性。多种生物样品的实验结果证实X射线光栅综合成像同时提供的体现物质不同性质、互为补充、完全配准的三种信息，可提供体现组织及其病变病理信息的特征，在生物医学影像中具有较好的临床应用价值。软组织及其病变的物理内涵和表现形式的研究，为后续进一步进行X射线光栅综合成像的生物实验研究和综合成像系统进入临床实践打下坚实基础。