X射线相位衬度成像及其肝细胞癌显微成像研究

发布时间：2017-05-13 12:10

  本文关键词：X射线相位衬度成像及其肝细胞癌显微成像研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：X射线相衬成像(phase-contrast imaging, PCI)技术是新近出现的高衬度和高空间分辨率的成像技术。和传统X射线成像技术相比,它可满足生物软组织微观成像条件,获得软组织丰富内部的微观结构细节。近年来,相衬成像与CT的结合产生了相衬CT技术。结合相衬成像技术的优势,相衬CT能够极大地提高图像的衬度,获得软组织的高分辨率CT图像。此外,结合三维可视化技术,相衬CT能够在不注射造影剂的情况下获得生物样品的三维内部微观结构。本课题借助相衬成像技术的信息提取和CT重建,获得了样品的高质量图像及三维微结构。目的在于丰富和加深相衬成像理论与方法,探索相衬成像及其图像处理在生物医学应用中的新途径。 衍射增强成像(diffraction enhanced imaging, DEI)和类同轴相衬成像(in-line phase-contrast imaging, ILPCI)是目前研究和应用广泛的相衬成像技术。通过在北京同步辐射装置和上海光源分别进行DEI和ILPCI实验,本文研究了DEI的信息提取方法,并利用ILPCI-CT技术获得了高分辨率的人体肝细胞癌CT图像,重建了相应组织的三维结构,结合病理切片研究了肝细胞癌的微观结构和病理特征,主要研究内容如下： 1.DEI的衬度机制主要来自于样品对X射线的吸收、折射和小角散射。如何从图像中分离出不同的衬度是DEI的潜在应用关键。利用摇摆曲线的高斯拟合,本文提出了一种改进的信息提取方法,即IDEI(improved DEI)方法。仅需要利用三个位置处的图像,IDEI方法就能准确地分离出样品的吸收、折射和小角散射信息。IDEI方法是EDEI(extended DEI)方法的改进。比较起来,IDEI方法能很好地克服EDEI方法对摇摆曲线进行二阶泰勒近似的缺点。而且,和多图统计法(multiple image radiography, MIR)相比,IDEI仅需要三个输入图像,无疑降低了样品的成像时间和辐射剂量。此外,通过对IDEI模型误差分析进一步研究了引起图像错误的因素。最后,利用计算机模拟和同步辐射实验数据对研究进行了验证。 2.利用ILPCI-CT技术,获得了肝癌组织的CT图像和微血管的三维形态,并结合病理切片进行了分析。此外,结合基于相位恢复的相衬CT技术,推导了生物组织的密度与其相位系数的表达式,从而获得了生物组织各处的密度分布,并利用肝癌组织中的微血管CT图像和三维结构,从密度分布角度分析了癌栓和血栓差别。 3.研究了不同分化的三维梁索结构显示和分析。首先,利用ILPCI-CT技术重建了肝细胞癌样品的CT图像,并通过和对应位置处的样品切片图像进行对比,证实了ILPCI-CT技术的高度敏感性。其次,对于梁索间没有血浆充斥的组织,结合ILPCI-CT和三维可视化技术重建了肝窦三维结构,同时根据肝窦与梁索结构间的关系,对不同分化程度梁索结构的比表面积与梁索间距进行定量分析,很好地描述了不同分化的肝细胞癌梁索结构和病理特征。最后,对于内含血浆的梁索结构,利用三维纹理分析方法来研究细胞癌梁索结构,研究结果表明,能量、惯量、和的均值以及和的熵4个不同的纹理参数均能清楚地区分不同分化梁索三维纹理特征。
【关键词】：相位衬度成像 衍射增强成像 类同轴相衬成像 信息分离 CT重建 肝细胞癌 梁索间隙
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R735.7;R730.44
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-12
• 缩略语/符号说明12-13
• 第一章 前言13-27
• 1.1 X射线相衬成像13-17
• 1.1.1 衍射增强成像14-15
• 1.1.2 类同轴成像15-16
• 1.1.3 干涉仪相衬成像16
• 1.1.4 光栅相衬成像16-17
• 1.2 肝细胞癌17-18
• 1.3 X射线相衬成像及其生物医学应用18-24
• 1.3.1 DEI信息分离及应用18-21
• 1.3.2 相衬成像及其应用21-24
• 1.4 研究目的和意义24-25
• 1.5 研究内容和方法25
• 1.6 论文结构安排25-27
• 第二章 X射线相衬成像原理和实验成像装置27-37
• 2.1 X射线成像的基本原理27-28
• 2.2 X射线相衬成像的物理原理28-29
• 2.3 实验成像装置29-32
• 2.3.1 北京同步辐射装置30-31
• 2.3.2 上海光源同步辐射装置31-32
• 2.4 衍射增强成像基本原理32-34
• 2.5 类同轴成像基本原理34-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第三章 衍射增强成像信息提取算法研究37-57
• 3.1 典型的DEI信息提取算法37-41
• 3.1.1 Chapman信息提取方法37-38
• 3.1.2 EDEI方法38
• 3.1.3 GDEI方法38-39
• 3.1.4 MIR方法39-41
• 3.2 IDEI算法41-43
• 3.3 IDEI算法的误差分析43-46
• 3.4 吉洪诺夫正则化46-47
• 3.5 实验结果与分析47-56
• 3.5.1 计算机仿真模型研究47-51
• 3.5.2 同步辐射实验验证51-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 人体肝细胞癌的相衬成像辅助诊断57-75
• 4.1 实验材料及方法57-65
• 4.1.1 肝细胞癌样品处理57
• 4.1.2 成像试验方法57-58
• 4.1.3 数据处理方法58-65
• 4.2 结果65-73
• 4.2.1 肝癌血管形态分析65-67
• 4.2.2 癌旁微血管及癌栓的重建67-69
• 4.2.3 肝细胞癌粱索结构三维重建及分析69-73
• 4.3 讨论73-74
• 4.4 本章小结74-75
• 第五章 总结与展望75-79
• 5.1 总结75-77
• 5.2 展望77-79
• 参考文献79-87
• 发表论文和参加科研情况说明87-88
• 综述 基于衍射增强成像的相位信息提取及应用88-97
• 综述参考文献94-97
• 致谢97

【参考文献】

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3 顾翔;刘晓霞;孙建奇;肖体乔;刘苹;;同步辐射成像技术应用于肿瘤新生血管的实验初探[J];核技术;2009年07期

4 陈博;舒航;朱佩平;陈春，

本文编号：362498