世界上最亮的X射線開(kāi)啟醫(yī)學(xué)影像革命: HIP-CT成像技術(shù)

來(lái)自倫敦大學(xué)學(xué)院和歐洲同步輻射光源(ESRF)的科學(xué)家,成功地使用了一種Hierarchical Phase-Contrast Tomography(HiP-CT)成像技術(shù),完成了對(duì)捐獻(xiàn)的人體器官掃描,包括對(duì)曾患Covid-19的捐獻(xiàn)者的肺部進(jìn)行成像。使用HiP-CT,來(lái)自德國(guó)和法國(guó)臨床醫(yī)生組成的研究團(tuán)隊(duì)觀察到嚴(yán)重的新冠病毒感染如何在為血液供氧的和為肺組織本身供血的毛細(xì)血管,這兩個(gè)分離的系統(tǒng)之間“Shunting”血液。這種交叉連接會(huì)阻止患者的血液得到適當(dāng)?shù)难鹾?,這是以前的假設(shè),但尚未得到證實(shí)。
這項(xiàng)技術(shù)使用的X射線,由位于法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源提供,該光源最近經(jīng)過(guò)一系列的升級(jí)、改造,又名Extremely Brilliant Source upgrade (ESRF-EBS)。這次EBS升級(jí)成為了世界上第一個(gè)第四代同步輻射,提供了世界上最亮的X射線源。這使X射線的性能在“亮度和相干性 ”方面提高了100倍,這個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的X射線比傳統(tǒng)醫(yī)院X射線亮1000億倍。正是由于超強(qiáng)的光源亮度,使用研究人員可以在完整的人肺中觀察到直徑為5微米(頭發(fā)直徑的十分之一)的血管。臨床CT掃描只能分辨出大約100倍大、直徑約1毫米的血管。

倫敦大學(xué)學(xué)院的科學(xué)家Claire Walsh(左)和ESRF的Paul Tafforeau(右)在ESRF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

這種新的x射線技術(shù)可以將整個(gè)器官成像到1μm的分辨率
ESRF的首席科學(xué)家Paul Tafforeau解釋說(shuō):“開(kāi)發(fā)這種新的HiP-CT技術(shù)的想法是在全球新冠大流行之后產(chǎn)生的,通過(guò)結(jié)合ESRF用于大型化石成像的幾種技術(shù),并利用ESRF新的極亮光源ESRF-EBS提高的靈敏度。這使我們能夠在3D中看到完整人體器官中令人難以置信的小血管,使我們能夠在3D中將血管與周?chē)M織區(qū)分開(kāi)來(lái),甚至能夠觀察到一些特定的細(xì)胞?!?/span>
利用這項(xiàng)新技術(shù),倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在啟動(dòng)一個(gè)名為 Human Organ Atlas的項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)人Peter Lee說(shuō):“Human Organ Atlas的目標(biāo)是填補(bǔ)我們對(duì)人體解剖學(xué)理解的空白。臨床CT和MRI掃描可以分辨到一毫米以下,而組織學(xué)(在顯微鏡下研究細(xì)胞/活檢切片)、電子顯微鏡(使用電子束生成圖像)和其他類似技術(shù)可以分辨出亞微米級(jí)精度的結(jié)構(gòu),但只能對(duì)器官組織的小活檢進(jìn)行分辨。HiP-CT以3D方式連接了這些標(biāo)尺,對(duì)整個(gè)器官進(jìn)行成像,為我們的生物構(gòu)成提供新的見(jiàn)解?!?/span>
Human Organ Atlas將是一個(gè)免費(fèi)的在線資源,它啟動(dòng)時(shí)顯示了幾個(gè)關(guān)鍵的人體器官,包括大腦、腎臟、心臟和脾臟。該項(xiàng)目還提供了健康肺部與已故新冠肺炎患者肺部的對(duì)比成像。
新冠肺炎惡化的一個(gè)基本病理標(biāo)志是血液含氧量急劇下降,HiP-CT成像揭示了這種情況是如何通過(guò)一種被稱為“Shunting”過(guò)程誘發(fā)的。以前曾假設(shè)新冠病毒通過(guò)增加肺部的分流水平降低血氧率,但此次成像是該過(guò)程的第一個(gè)直接證據(jù)。
漢諾威醫(yī)學(xué)院從事該項(xiàng)目的研究員Danny Jonigk說(shuō):“通過(guò)將我們的分子方法與受新冠肺炎影響的肺部的HiP-CT多尺度成像相結(jié)合,對(duì)COVID-19損傷的肺部中肺的兩個(gè)血管系統(tǒng)之間的血管分流以及它對(duì)我們循環(huán)系統(tǒng)中的氧氣水平的影響,我們有了新的理解?!盚iP-CT旨在為醫(yī)生提供一個(gè)記錄不同疾病如何影響各種器官的圖像庫(kù)。這種從未見(jiàn)過(guò)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)說(shuō)明了疾病如何影響組織結(jié)構(gòu),其分辨率可小至一微米。
參與該項(xiàng)目的倫敦大學(xué)學(xué)院的機(jī)械工程師Claire Walsh說(shuō)道,詳細(xì)的圖像將與機(jī)器學(xué)習(xí)技法一起使用,以提高從臨床成像(如MRI和CT掃描)中產(chǎn)生的洞察力。除了有助于更好地校準(zhǔn)和改進(jìn)這些現(xiàn)有技術(shù)外, Walsh認(rèn)為HiP-CT數(shù)據(jù)還將幫助研究人員開(kāi)發(fā)出比MRI和CT成像更清晰的AI系統(tǒng)。Walsh表示:“像這樣跨尺度觀察器官的能力,對(duì)醫(yī)學(xué)成像來(lái)說(shuō)確實(shí)是革命性的。當(dāng)我們開(kāi)始通過(guò)AI技術(shù)將我們的HiP-CT圖像與臨床圖像聯(lián)系起來(lái)時(shí),我們將第一次能夠高度準(zhǔn)確地驗(yàn)證臨床圖像中模糊的發(fā)現(xiàn)?!?/span>
HiP-CT新技術(shù)的有關(guān)研究已發(fā)表在《Nature Methods》上。
點(diǎn)擊鏈接查閱發(fā)表文章:https://www.nature.com/articles/s41592-021-01317-x
參考信息:
Imaging intact human organs with local resolution of cellular structures using hierarchical phase-contrast tomography, C.L. Walsh et al., Nature Methods (2021); https://doi.org/10.1038/s41592-021-01317-x
https://newatlas.com/medical/hipct-xray-imaging-human-organ-project/
https://www.esrf.fr/home/news/general/content-news/general/ebs-x-rays-show-lung-vessels-altered-by-covid-19.html

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