世界上最亮的X射線開啟醫(yī)學影像革命： HIP-CT成像技術(shù)
來自倫敦大學學院和歐洲同步輻射光源（ESRF）的科學家，成功地使用了一種Hierarchical Phase-Contrast Tomography(HiP-CT）成像技術(shù)，完成了對捐獻的人體器官掃描，包括對曾患Covid-19的捐獻者的肺部進行成像。使用HiP-CT，來自德國和法國臨床醫(yī)生組成的研究團隊觀察到嚴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血管，這兩個分離的系統(tǒng)之間“Shunting”血液。這種交叉連接會阻止患者的血液得到適當?shù)难鹾?，這是以前的假設(shè)，但尚未得到證實。
這項技術(shù)使用的X射線，由位于法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源提供，該光源最近經(jīng)過一系列的升級、改造，又名Extremely Brilliant Source upgrade (ESRF-EBS)。這次EBS升級成為了世界上第一個第四代同步輻射，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。
倫敦大學學院的科學家Claire Walsh(左)和ESRF的Paul Tafforeau(右)在ESRF進行實驗
這種新的x射線技術(shù)可以將整個器官成像到1μm的分辨率
ESRF的首席科學家Paul Tafforeau解釋說：“開發(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中將血管與周圍組織區(qū)分開來，甚至能夠觀察到一些特定的細胞?！?/span>
利用這項新技術(shù)，倫敦大學學院的研究人員帶領(lǐng)的一個團隊正在啟動一個名為 Human Organ Atlas的項目。這個項目的領(lǐng)導人Peter Lee說：“Human Organ Atlas的目標是填補我們對人體解剖學理解的空白。臨床CT和MRI掃描可以分辨到一毫米以下，而組織學（在顯微鏡下研究細胞/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精度的結(jié)構(gòu)，但只能對器官組織的小活檢進行分辨。HiP-CT以3D方式連接了這些標尺，對整個器官進行成像，為我們的生物構(gòu)成提供新的見解?！?/span>
Human Organ Atlas將是一個免費的在線資源，它啟動時顯示了幾個關(guān)鍵的人體器官，包括大腦、腎臟、心臟和脾臟。該項目還提供了健康肺部與已故新冠肺炎患者肺部的對比成像。
新冠肺炎惡化的一個基本病理標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一種被稱為“Shunting”過程誘發(fā)的。以前曾假設(shè)新冠病毒通過增加肺部的分流水平降低血氧率，但此次成像是該過程的第一個直接證據(jù)。
漢諾威醫(yī)學院從事該項目的研究員Danny Jonigk說：“通過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COVID-19損傷的肺部中肺的兩個血管系統(tǒng)之間的血管分流以及它對我們循環(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)生提供一個記錄不同疾病如何影響各種器官的圖像庫。這種從未見過的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)說明了疾病如何影響組織結(jié)構(gòu)，其分辨率可小至一微米。
參與該項目的倫敦大學學院的機械工程師Claire Walsh說道，詳細的圖像將與機器學習技法一起使用，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和改進這些現(xiàn)有技術(shù)外， Walsh認為HiP-CT數(shù)據(jù)還將幫助研究人員開發(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，對醫(yī)學成像來說確實是革命性的。當我們開始通過AI技術(shù)將我們的HiP-CT圖像與臨床圖像聯(lián)系起來時，我們將第一次能夠高度準確地驗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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