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世界上最亮的X射线带来医学成像革命

2021-11-05 11:00     来源:cnBeta     同步加速器同步辐射光源X射线
据New Atlas报道,一项突破性的新成像技术利用先进粒子加速器产生的X射线,以前所未有的细节提供整个器官的3D图像。研究人员在展示这项技术时,对一名已故的新冠肺炎患者的肺部进行了成像,揭示了这种疾病如何破坏血氧的新见解。


这项新技术被称为层次相差断层扫描(HiP-CT),它是一种X射线技术,可以对整个器官进行成像,分辨率达到1微米,或者是传统CT扫描分辨率的100倍。

成像方面的进步来自于欧洲同步辐射光源(ESRF)的技术升级。这个先进的粒子加速器最近得到了改进,被称为极亮源升级(ESRF-EBS)。

这次EBS升级创造了世界上第一个第四代同步加速器,使其成为世界上最亮的X射线源。这使X射线的性能在“亮度和相干性 ”方面增加了100倍。而这个设备产生的X射线比传统医院的X射线中的亮度高1000亿倍。

“开发这种新的HiP-CT技术的想法是在全球大流行病开始后产生的,通过结合ESRF用于大型化石成像的几种技术,并利用ESRF新的极亮源ESRF-EBS的更高灵敏度,”ESRF的首席科学家Paul Tafforeau解释说。“这使我们能够以三维方式看到一个完整的人体器官内令人难以置信的小血管,使我们能够以三维方式将血管与周围组织区分开来,甚至能够观察到一些特定的细胞。”

利用这项新技术,由伦敦大学学院的研究人员领导的一个团队正在启动一个名为 Human Organ Atlas的项目。领导这个项目的Peter Lee说,人体器官图谱的目标是填补我们对人体解剖学理解的空白。

Peter说:“临床CT和MRI扫描可以分辨到一毫米以下,而组织学(在显微镜下研究细胞/活检切片)、电子显微镜(使用电子束生成图像)和其他类似技术可以分辨出亚微米级精度的结构,但只能在一个器官的小型组织活检中进行。HiP-CT在三维中连接了这些尺度,对整个器官进行成像,为我们的生物构成提供新的见解。”

Human Organ Atlas将是一个免费的在线资源,它启动时显示了几个关键的人体器官,包括大脑、肾脏、心脏和脾脏。该项目还提供了健康肺部与已故新冠肺炎患者的肺部进行对比的成像。

新冠肺炎恶化的一个基本病理标志是血液含氧量急剧下降,HiP-CT成像揭示了对这种情况如何通过一个被称为"分流"的过程发生的见解。以前曾假设新冠病毒通过增加肺部的分流水平降低血氧率,但这是该过程的第一个直接证据。

汉诺威医学院从事该项目的研究员Danny Jonigk说:“通过将我们的分子方法与受新冠肺炎影响的肺部的HiP-CT多尺度成像相结合,我们获得了一个新的理解,即在新冠受伤的肺部,肺部两个血管系统的血管之间如何发生分流,以及它对我们循环系统中氧气水平的影响。”


HiP-CT旨在为医生提供一个记录不同疾病如何影响各种器官的图像库。这种从未见过的结构数据说明了疾病如何影响组织结构,其分辨率可小至一微米。

伦敦大学学院从事该项目的机械工程师Claire Walsh说,详细的图像将与机器学习技术一起使用,以提高从临床成像(如MRI和CT扫描)中获得的洞察力。除了帮助更好地校准和改进这些现有技术外, Walsh认为HiP-CT数据将帮助研究人员开发能够澄清MRI和CT成像的AI系统。

Walsh表示:“像这样跨尺度观察器官的能力,对医学成像来说确实是革命性的。当我们开始通过人工智能技术将我们的HiP-CT图像与临床图像联系起来时,我们将第一次能够高度准确地验证临床图像中模糊的发现。”

一项报告HiP-CT的新研究发表在《自然-方法》杂志上。

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