肺部疾病是威胁人类健康的重大公共卫生问题。以慢性阻塞性肺疾病(COPD)为例，它已是全球第三大死因，其典型病变肺气肿在病程中直接表现为肺泡的逐渐增大。换言之，反映病情的关键正是肺泡这一介观微结构的“尺寸”，但肺泡远小于常规X射线CT的分辨率，传统成像难以对这种“亚分辨”改变做出定量评估。
基于微纳光栅的X射线多特性成像(X-ray multi-characteristic imaging)让这一难题有了转机: X射线穿过肺泡等微小结构时会产生小角散射，由此得到的"暗场信号"恰好编码了亚分辨尺度的结构信息;与仅依赖衰减的传统吸收成像相比，它能更灵敏地反映肺泡层面的早期病变。深耕这一技术多年的辐射成像团队，联合首都医科大学，依托国家自然科学基金重大科研仪器研制项目，自主研制面向人体肺部的专用暗场CT。
X射线光栅多特性成像系统示意图
然而，暗场信号长期以来只能用于"半定量"分析，即比较信号相对强弱，难以换算出肺泡的实际尺寸，根源在于临床条件下信号与微观尺寸之间缺乏确定的定量关系。一个自然的设想是借鉴双能CT的"物质分解"思路,尝试用两种能量下的暗场信号,实现微观尺寸定量识别。但研究团队发现，在此情形下并不适用：对于成分相同、仅尺寸不同的微结构(恰如正常肺泡与肺气肿肺泡)，其暗场信号在不同能量下呈线性相关，导致双能信息高度冗余、分解问题严重病态，无法稳定求解。
近日，我所张丽、王振天课题组与首都医科大学王振常院士课题组合作，在光学TOP期刊《Optica》上发表论文，为暗场信号建立起通向临床微结构尺寸定量测量的桥梁。团队以自然密堆积的PMMA微球作为肺微结构模型(200和400 μm微球的暗场信号分别接近健康肺与肺气肿组织)，在结构尺寸远大于系统“自相关长度”的临床常见条件下，证明了线扩散系数与微球直径的反比关系;由此，未知微球的线扩散系数可由两种合适的已知"基微球"线性叠加表示，从而反解出其直径。针对双能失效的难题，团队进一步提出单能的“结构分解”方法，利用同种材料线扩散系数与线衰减系数的非线性关系，联合暗场与吸收信号完成对物质微观结构尺寸的定量测量。
单能结构分解(SESD)方法与尺寸测量流程
在实验中，团队以200和400 μm微球为已知"基微球"，反演 300 μm未知样品：三者的重建结果分别为197.1、304.5、398.6 μm，相对误差均低于2%。这表明借助暗场成像可以实现类比双能物质分解算法的“结构分解”新范式，仅凭两种已知尺寸的参考微球，该方法即可对未知微结构的尺寸做出可靠预测，其临床意义在于:两种"基微球"分别对应健康与肺气肿肺组织,将未知肺区分解到二者之上,即可由等效肺泡尺寸定量判断其介于健康与病变之间的程度。验证中居于两者之间的 300 μm 样品被准确识别为304.5 μm,印证了方法对病变程度的分辨力,有望为肺气肿等疾病的客观分级与分期提供量化依据,超越以往仅比较信号强弱的"半定量"判读。
微结构尺寸鉴别结果：重建的未知（300 μm）与两种基微球（200、400 μm）图像，及三者直径预测的统计分布，误差均小于2%
