本文關(guān)鍵詞：X射線相干散射在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

    【摘要】   X射線相干散射在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用是當前的一個極有前途和極富挑戰(zhàn)性的課題。本文概述了X射線相干散射成像技術(shù)的原理和在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。從臨床應(yīng)用的角度對其進行了展望。

　　【關(guān)鍵詞】  相干散射；成像；骨礦密度
   
    X射線相干散射（X-ray coherent scatter）即X射線前向小角度散射。勞厄(Max von Laue)發(fā)現(xiàn)了X射線衍射現(xiàn)象，在1912年人們第一次獲得了X射線相干散射圖像，那是對銅的晶體結(jié)構(gòu)成像。X射線相干散射技術(shù)可以用來檢測分子和超分子結(jié)構(gòu)的類型。所以在對物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)進行分析時，X射線相干散射是一種有效的方法。

　　X射線發(fā)現(xiàn)至今100余年來，其應(yīng)用沿著兩個不同方向在發(fā)展：一個是在醫(yī)學(xué)診斷上使用透射成像方式輔助進行醫(yī)學(xué)的診斷；另一個是X射線的散射，它主要被用于對物質(zhì)的原子和分子結(jié)構(gòu)的研究；X射線相干散射在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究還是最近十幾年的事情。國外的一些醫(yī)學(xué)研究機構(gòu)和放射線技術(shù)研究機構(gòu)都對X射線相干散射作用在醫(yī)學(xué)診斷上的應(yīng)用給予了極大地關(guān)注，并取得了一些初步的研究成果。

    在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中，目前放射線影像設(shè)備主要還是應(yīng)用X射線的透射衰減效應(yīng)作為成像的主要手段。但是由于透射成像對細節(jié)展示能力不夠，影像只能夠反映某些人體組織的病變，對許多疾病不能準確判斷。例如，X射線乳房透視成像術(shù)對婦女的乳腺癌的診斷的假陽性率很高，有大約20％的患者必須另外做活體組織檢查來確診［1］。同時，假陰性的比率也很高，相對那些準確確診的癌癥患者的比例，大約10％被誤診為陰性。在研究中X射線相干散射所表現(xiàn)出的特性，為上述的問題的解決提供了一種切實可行的方法，，人們正考慮應(yīng)用X射線相干散射技術(shù)輔助進行更為精確的醫(yī)療診斷，相信在未來的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中它會得到廣泛的應(yīng)用。

　　1  X射線相干散射的基本原理

　　對于純晶體，X射線相干散射（衍射）圖形由一系列的亮點組成，這些亮點是由物質(zhì)內(nèi)部不同的原子平面反射回來的X射線干涉形成的。這些點的位置可以由著名的布拉格方程描述：2dsinθ=nλ（1）
這里λ是參與衍射的單色射線的波長，d是不同原子平面之間的間距，θ是入射線與原子平面之間所成的角度，n是對應(yīng)于不同衍射級的一個整數(shù)。在進行X射線的相干散射成像時，需要旋轉(zhuǎn)晶體使所有潛在的反射都滿足1次布拉格方程條件，然后收集這些反射光的數(shù)據(jù)，形成衍射圖案。這時圖案中亮點的強度是相應(yīng)原子結(jié)構(gòu)的傅里葉成分的1個振幅測度。

　　醫(yī)學(xué)上，相應(yīng)的生物物質(zhì)成分所產(chǎn)生X射線相干散射較少。這是因為生物組織內(nèi)部含有的晶體結(jié)構(gòu)比較少，因此認為產(chǎn)生的相干散射現(xiàn)象比較弱。當X射線透射過人體時，X射線與人體組織之間會發(fā)生X射線的相干散射、非相干散射和光電效應(yīng)3種相互作用。發(fā)生X射線相干散射的時候，X射線光子與原子的電子發(fā)生相互碰撞，發(fā)生碰撞時的光子傳遞給電子的能量遠遠地小于原子對電子的束縛能量。因此，原子既不會被電離，也不會被激發(fā)，所有的反沖動量完全被原子吸收。在這種情況下，被原子束縛的電子所散射出去的輻射的波長與入射線波長是一樣的。散射光子之間都有一個固定的相位關(guān)系，所以可以發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉作用。在滿足布拉格方程條件的情形下，會產(chǎn)生光學(xué)的干涉圖案。光子與物質(zhì)發(fā)生相干散射效應(yīng)的概率用截面表示，稱作相干散射效應(yīng)截面δ。對于水，在入射的X射線的能量大于25keV時，超過50％的X射線在透射過程中發(fā)生了散射作用［2］。在散射角θ≈0時，由于原子對電子的束縛作用，非相干散射截面迅速減少。從θ<24.6°開始，相干散射截面超過非相干散射截面。當入射線能量降低時，這個角度相對變大。這說明，在相對入射方向的前向小角度范圍內(nèi)主要的散射效應(yīng)是相干散射 ［3～5］。

　　2  相干散射圖案特征分布應(yīng)用研究

　　Leclair 等人提出了一種類似于X射線透射衰減成像的評價模型：對比度（C）和信噪比（SNR）評價模型［6］。這里：C=2 |NT-NB|   NT+NB      SNR=|NT-NB|   NT+NB （2）其中NT為目標物體的相干散射的計數(shù)，NB為背景物體的相干散射的計數(shù)。在相關(guān)的實驗中，作者選用了肝臟、脂肪、骨骼、肌肉、血液和腦組織做了相同條件下的目標、背景對比試驗，結(jié)果表明相干散射得到的對比度和信噪比要比傳統(tǒng)的透射成像好得多。進一步的實驗表明實驗的結(jié)果和理論模型的預(yù)測結(jié)果有比較好的近似。這種模型能夠被用來設(shè)計和優(yōu)化X射線的相干散射成像系統(tǒng)［7］。Leclair等在研究不同的動量傳遞系數(shù)x對模型結(jié)果的影響中，發(fā)現(xiàn)對比度和信噪比的最大值出現(xiàn)與x值有確定的關(guān)系。在他們針對乳腺癌的病灶樣品進行的最新實驗研究中，進一步證實了所提出的模型在乳腺癌的診斷中具有潛力［8］。進一步的實驗正在進行中［9］。

　　利用X射線相干散射圖案的角度分布或者能量分布特征，不同的研究工作者對不同的實驗樣品在不同的研究條件下進行了研究。Royle等人使用臨床X射線，利用圖案的能量分布特征對人的股骨頭內(nèi)部骨成分和骨髓容積進行比較分析。在相干散射圖案中，骨成分和骨髓分別形成兩個能量峰值，對兩個峰值進行量化比較，提出了聯(lián)合參數(shù)的對比曲線，可以用于定量的分析［10］。Elshemey等人對凍干的生物樣本進行了相干散射的能量分布峰值分析，對包括各種蛋白成分的牛奶、脂肪、肌肉組織以及DNA在內(nèi)的復(fù)合樣品進行了相干散射的研究。發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)成分單獨形成了一個額外的峰值，這說明與蛋白質(zhì)成分相關(guān)的參數(shù)可以作為一個分析的特征值［11～12］。針對肝癌和肝硬化的早期診斷進行的相干散射試驗研究中。結(jié)果表明肝硬化和肝癌的凍干血清的散射峰值同正常的血清峰值有很大的不同，這無疑提供了對這類疾病早期的診斷的可用信息［13］。對乳腺癌的進一步研究是由Fernández等人進行的，在他們的實驗中，選用了經(jīng)過組織病理檢驗過的離體的乳房癌組織。通過與病理分析結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)，離癌細胞較遠的膠原組織的散射圖案和癌細胞的散射圖案有很大的不同，這種不同提供了足夠的信息可以利用X射線的相干散射圖案進行乳腺癌放射成像的診斷［14］。

　　3  X線相干散射成像醫(yī)學(xué)應(yīng)用展望

　　目前，X射線相干散射技術(shù)的研究還處于實驗室研究階段，臨床應(yīng)用上的研究側(cè)重于對幾種具有代表性疾病的診斷研究，例如：骨質(zhì)疏松癥、軟骨病、乳腺癌等。在我國，還沒有這方面技術(shù)研究的報道和文獻出現(xiàn)。隨著實驗室技術(shù)的成熟，相干散射技術(shù)的研究也在向著臨床應(yīng)用的方向上發(fā)展，這些技術(shù)特有的優(yōu)點必將會為醫(yī)學(xué)放射影像診斷技術(shù)提供更加強有力的輔助工具。

　　研究中還存在著很多未解決的問題，這也是在進行這方面研究時所必須關(guān)注的：一個是射線源，文獻中的大部分實驗是使用SR（同步輻射）［15］進行的，SR有它在實驗應(yīng)用上的各種優(yōu)點：高強度、連續(xù)的寬光譜（從紅外－X射線）、自然準直、射線源尺度小、高度極化和脈沖節(jié)拍結(jié)構(gòu)等，但是它不能夠替代臨床應(yīng)用的射線源。以我國籌建中的上海同步輻射裝置為例，它由一臺長度為30m的300MeV電子直線加速器、一臺周長160m的3.5GeV增強器（同步加速器）和一臺周長400m的3.5GeV存儲環(huán)組成。因此，目前只能夠進行一些基礎(chǔ)性的研究。另一個就是射線的單色性，目前大部分的實驗結(jié)果都是在單色射線下取得的，而在實際的臨床射線源中，經(jīng)常是多光譜和扇形的線束。雖然Leclair等在實驗［16］中已經(jīng)驗證了：在實際的應(yīng)用中，單色射線不是必需的。但是，實驗中的理論模型是否仍然可以適用是一個問題。再一個是實驗中的樣品在尺度和體積上都與人體相差很多；使用的射線的劑量也比臨床的要求高出很多；活體組織的成像與樣品成像之間的差異等。

　　雖然目前說X射線的相干散射技術(shù)會成為醫(yī)院中新的醫(yī)學(xué)影像模式為時尚早。但是，相干散射CT已經(jīng)作為一種新型CT成像手段被使用。

　　目前X射線相干散射技術(shù)在臨床應(yīng)用上存在的問題會隨著研究的進展而逐漸得到克服。真正將X射線相干散射技術(shù)應(yīng)用到臨床實踐中還需要做許多的科研工作。

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　　*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：60372062）

　　作者單位： 1 710068 陜西西安，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所

　　　　　　　　2 130031 吉林長春，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所

　　　　　　　　3 130033 吉林長春，吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院

　　　　　　　　4 130061 吉林長春，吉林省建設(shè)銀行

　  (編輯：江  楓)

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