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　　近日，Radiology上刊登了一篇来自英国伦敦大学学院（UCL）和欧洲同步辐射光源（ESRF）领导的一个团队，与威康桑格研究所、西门子医疗、Great Ormond Street 医院、汉诺威医学院、亚琛医科大学、Helios Wuppertal 大学诊所、约翰内斯·古腾堡大学医学中心和法国阿尔卑斯解剖实验室（LADAF）合作，使用 HiP-CT 成像技术在 ESRF 的 BM18 光束线上，对两颗完整的心脏（一颗健康的心脏和一颗患病的心脏）进行了成像。展示了分层相位对比断层成像(HiP-CT)对于离体心脏宏观到微观解剖的能力。

　　ESFR（European Synchrotron Radiation Facility）位于法国东南部的格勒诺布尔市，是世界上首座第三代同步辐射光源。由注入器、增强器和储存环组成，被加速的电子束在储存环中经过磁结构谐振器的振荡，发出大量高精度的光束，电子束能量为60亿电子伏特。1994年开始运行，建造成本约3亿欧元。随后2009-2015年和2015-2022年进行的升级改造，累计耗资3.3亿欧元。2020年8月25日，ESRF 启动了其极度卓越光源（EBS），这是首个高能同步加速光源，其 X 射线性能比以前的光源提高了 100 倍，电力消耗减少了 30%。

　　ESFR在生物学、医学、物理、化学、地球科学、环境科学、材料学等领域的研究具有重要的价值。目前累计有6位诺贝尔奖得主在其职业生涯中使用过 ESRF 进行实验，这些实验最终为他们的成功做出了贡献。

　　一个基于ESRF开发的混合多弯消色差器（HMBA）的新储存环，能够产生极度卓越的 X 射线年向用户开放。

　　四条全新旗舰光束线，这些光束线涵盖了多种科学技术，能够以更高质量、更快速度、更详细地研究物质的原子结构：

　　HiP-CT采用相位对比成像技术，而不是传统的基于X射线吸收的成像方法。相位对比成像利用X射线在组织中的相位偏移(折射)来获得图像，从而可以大大提高对软组织和细微结构的成像对比度和分辨力，无需使用外源性对比剂。

　　研究人员获得了两个心脏标本，一个来自一名63岁白人男性(无已知心脏疾病)，另一个来自一名87岁白人女性(有多种心血管疾病)。在进行扫描前，为了保证检查结果，对样本进行了精心的准备。尸体在死亡后通过右颈动脉注入福尔马林进行防腐处理，然后在 3.6 °C下保存。将离体心脏在室温下于 4% 福尔马林中性缓冲液中固定 4 天，然后用浓度不断增加的乙醇进行多次浸泡（每次浸泡 4 天），使心脏部分脱水至 70% 的乙醇。为防止扫描过程中形成气泡，影响图像质量，每一步都使用隔膜真空泵进行脱气循环。心脏稳定在琼脂-乙醇凝胶中，心尖朝下。随后将容器密封保存，直至扫描。

　　本次最新发表的研究使用同步辐射装置，可以快速扫描大型器官并获得高对比度和高空间分辨力的图像。BM18光束线旨在优化基于传播的相位对比。X射线米。对整个心脏进行全视野扫描时使用的传播距离为30米，在局部断层扫描放大时使用的传播距离为2.5米至10米。无需使用造影剂。此外，还对扫描参数进行了优化，以最大限度地减少辐射剂量，因为过度曝光会导致气泡效应，从而降低图像质量。 X射线束的检测是通过一个LuAG:Ce 2000 µm闪烁器和一个PCO edge 4.2 CLHS照相机（2048 × 2048 像素）来完成。 采用了两种采集模式：(i) 四分之一采集用于将视场增大到151 mm，以扫描整个心脏；(ii) 半采集用于以更高分辨力对心脏进行局部扫描。通常情况下，对整个心脏进行空间分辨力为20 µm的全视野扫描时，每次扫描的垂直视场为10 mm，扫描之间的垂直间隔为7 mm，相当于30%的重叠。 每次扫描密封容器中的心脏时，都要对装有70%乙醇和琼脂的等效容器进行扫描。第二个容器的扫描图像被用作平场校正的光束参考，每连续投影100次，以校正局部断层扫描造成的大部分低频效应。

　　所有数据的计算和管理都是在欧洲同步辐射设施的网络互动计算环境（NICE）计算基础设施上进行的。整个心脏的重建时间约为 24 小时，每个变焦约为 15 小时。制作健康心脏和病变心脏视频的渲染时间分别为 12 小时和 8 小时(视频见下文)。

　　对照组（A）和患病组（B）心脏解剖方向的三维电影渲染效果图。心外膜脂肪已被数字化去除，以显示主要冠状动脉的走向，以及临床 CT 扫描中通常看不到的穿入心肌的小动脉细节。在对照心脏中，冠状动脉仍然紧贴心外膜表面，而在患病心脏中，冠状动脉被心外膜脂肪移开，增加了主要冠状动脉与心肌之间的灌注距离。

　　HiP-CT 能够无损地对离体心脏进行全心脏成像，获得约 20 μm 各向同性体素，无需使用对比剂。

　　HiP-CT 可以进行高空间分辨力的放大成像，从微观(约 6.5 μm 体素大小)到细胞水平(约 2.3 μm 体素大小)的细节，无需组织切片，可以在心脏的任何区域进行。

　　通过 HiP-CT 对心脏传导系统进行虚拟多平面切片，可以获得对结节区域、血管供应和周围结构的洞见。

　　（A、B）三维电影渲染图和（C、D）HiP-CT图像显示了病变心脏冠状动脉和静脉树的分段。(A）从心尖观察心脏，显示主要冠状动脉和静脉以及较小血管（如心房结节动脉（SNA））的走向。冠状动脉血管因脂肪瘤肥厚而脱离心外膜表面，延长了穿透动脉的长度（另见上图 ）。方框表示 B 中显示的支架位置；线条表示 C 中显示的横截面。(B) 其中一个冠状动脉支架和周围钙化（紫色）的电影渲染图显示了以最小伪影对软组织和硬组织成像的可行性。(C）左降支冠状动脉的高空间分辨率局部断层扫描显示动脉粥样硬化斑块，包括钙化（方框）。(D）C 中方框的数字缩放扫描显示动脉粥样硬化斑块和内膜钙化的细节。Adip=脂肪组织，Adv=外膜，Ao=主动脉，Ath=动脉粥样硬化，C=钙化，LAD=左冠状动脉前降支，Lum=管腔，Med=中膜，RCA=右冠状动脉，VV=营养血管。

　　对照心脏和患病心脏的冠状动脉和静脉系统。(a)和(b)，(a)中锐缘支动脉和(b)中锐缘支静脉的高分辨率局部断层扫描截面图，体素大小为 2.2 μm/体素。两个横断面与冠状动脉树和静脉树的位置用白色箭头表示。箭头表示动脉壁和静脉壁的组成层：内膜、中膜和外膜。冠状动脉周围颜色较深的组织为脂肪组织，颜色较浅的组织为肌细胞。利用 20 μm/voxel HiP-CT 图像（前视图）对对照组（c）和患病组（f）的动脉（红色显示）和静脉（蓝色显示）冠状动脉树进行分割。在（c）中，矩形显示了左心室壁的缩放，以及根据 6.5 μm/voxel 的局部断层扫描对左心室游离壁的毛细血管前动脉进行的分割。箭头表示主要冠状动脉和静脉。(d）左心室游离壁动脉细分的放大视图。(e）,（f）中两个支架之一的放大图。(g）,（f）中的放大图，显示心外膜冠状动脉明显的螺旋迂曲，箭头表示穿透冠状动脉如何作为锚点。(h）左降支冠状动脉高分辨率局部断层扫描截面图，显示动脉粥样硬化和钙化。(i），对（h）进行放大，以更好地显示动脉壁上的动脉粥样硬化和钙化。

　　作者认为，HiP-CT在整个器官和细胞尺度之间架起了一座桥梁，代表了心脏体外研究放射技术的一个进步。HiP-CT有可能解决与心血管疾病的理解和治疗相关的广泛解剖学问题，因此可能成为一种强大的非破坏性研究工具。它不仅可用于了解后天性心脏病，还可用于罕见和复杂先天性心脏畸形生物库的前瞻性应用。

　　首先，HiP-CT 需要专业设备和专业知识。全球同步辐射设施有限且昂贵，这可能会妨碍临床前系列研究中对大量样本进行成像，以进行稳健的统计比较。

　　其次，成像是在体外进行的，可能无法完全反映心脏在体内的动态和肌肉行为。目前，使用 HiP-CT 进行体内扫描受到同步加速器成像的高辐射剂量的限制。

　　第三，样本保存和制备如果没有优化，可能会导致形态变形。特别是在本研究中使用的标准全器官解剖防腐过程中，保持血管和腔室的完全通畅具有挑战性，会增加分割和三维重建的难度。

　　第四，没有组织病理学评估作为参考标准，而且仅研究两颗心脏得出的结论本身就有局限性，可能无法推广。

　　看到如此漂亮的图像，我们很多人都有一个期待，就是这么好的技术，什么时候可以商用？虽然前景很美好，但是结论比较悲观。

　　作为一项商用技术，首先要解决设备的可及性问题，也就是说设备初始采购成本不能过高，这方面可以参考电子束CT（EBCT），作为心脏断层成像的手段，EBCT具有非常高的时间分辨力，非常适合心脏成像，但是设备构造复杂，造价高昂，且用途单一，因此逐渐被螺旋CT所淘汰。相位对比CT设备相较于传统CT设备更为复杂，需要精密的X射线光栅、干涉仪或衍射系统，这些组件的制造和维护成本较高。此外，相位对比CT往往需要高亮度X射线源，例如上文中提到的同步辐射光源，这种设施成本巨大且不易普及。相位对比CT成像系统比传统CT更复杂，对X射线源的稳定性、准直和相干性要求极高，系统的校准和维护更加复杂。并且，相位对比CT生成的数据量大且复杂，需要高效的算法和强大的计算资源进行图像重建和处理，这对设备的软件和硬件提出了更高的要求。

　　第二，需要解决成像的辐射剂量、图像质量和检查时间的矛盾。目前Hip-CT的空间分辨力达到了前所未有的细胞水平，但是代价是扫描需要几个小时，且视野非常小，辐射剂量率很高，这些限制都决定了它只能用于标本成像，不能用在研究上。且其优势还需要通过大量临床试验和长期随访来验证效果和安全性。这些验证过程耗时长且费用高。

　　第三，需要解决准备过程繁琐复杂的问题。上述研究中标本的制备过程步骤繁琐，非常耗时，这也决定了它仅能进行标本的研究，而在临床场景中不具可操作性。

　　综合来看，Hip-CT只是梦想中的一颗星星，变成我们身边可用的设备，还有非常漫长的路。就像一直困在玻璃瓶中的苍鹰，前途是光明的，道路是没有的。