同步加速器掃描：ESRF 的克萊爾沃爾什將兩個器官放在為 HiP-CT 成像準備的樣品罐中。(提供：ESRF/Stef Candé)
對人體組織進行成像的能力，從整個完整的器官到單個細胞，都是推進我們對健康和疾病理解的關鍵。為了應對這一挑戰，歐洲的一項研究合作開發了一種新的成像技術，稱為分層相襯斷層掃描 ( HiP-CT )，它使用來自歐洲同步加速器研究機構 ( ESRF )的極亮光源 ( EBS ) 的X 射線。
EBS 是第一個高能 (6 GeV)、第四代同步加速器源。它提供了世界上最亮的 X 射線源，具有以高分辨率解決微弱密度對比所需的空間相干性。使用 EBS，HiP-CT 可以對整個人體器官進行無損 3D 掃描，然后縮小到細胞水平。
“像這樣跨尺度觀察器官的能力對于醫學成像來說真的是革命性的，”第一作者來自倫敦大學學院的克萊爾沃爾什說，“當我們開始通過 AI 技術將我們的 HiP-CT 圖像與臨床圖像聯系起來時，我們將首次能夠高度準確地驗證臨床圖像中的模糊發現。對于理解人體解剖學，這也是一項非常令人興奮的技術，能夠在正確的空間環境中以 3D 形式看到微小器官結構，是了解我們的身體結構及其運作方式的關鍵。”
克萊爾沃爾什及其同事使用新的同步加速器 X 射線斷層掃描技術掃描捐贈的人體器官，包括來自 新冠捐贈者的肺，并在Nature Methods 上報告了他們的發現。
高分辨率掃描
使用 EBS 測試光束線 BM05，研究人員開發了 HiP-CT 所需的專業樣品制備、掃描和重建方法。他們設計了一種掃描幾何結構，可減少樣本劑量(以避免組織損傷)、優化檢測器的動態范圍、減少偽影并抑制光束硬化。
對于成像，器官被固定、部分脫水并在罐中的瓊脂-乙醇中穩定。該團隊記錄了安裝在樣品頂部的一罐瓊脂乙醇的參考掃描，以提供可以在圖像重建過程中去除的背景。這個過程消除了低頻背景變化，并實現了極端的離軸局部重建。
HiP-CT 掃描是分層執行的，通常從整個器官的 25 μm/體素開始，然后以 6.5 和 1.3–2.5 μm/體素對選定的感興趣體積 (VOI) 進行放大成像。他們的團隊通過掃描完整的人肺來評估 HiP-CT 技術的性能。對于以 25、6.5 和 2.5 μm/體素記錄的圖像，估計的圖像分辨率分別為 72±3.4、18.3±0.6 和 10.4±0.17 μm。
為了評估不同深度和距器官中心距離的掃描的一致性，研究人員分析了兩個高分辨率 VOI 的圖像。他們發現兩者之間的平均強度或圖像質量差異很小，這表明 HiP-CT 可以在肺部的任何區域以一致的質量實現高分辨率掃描。
接下來，他們對五個完整的捐贈人體器官(大腦、肺、心臟、腎臟和脾臟)進行了成像，以 25 μm/體素執行 HiP-CT，以提供每個器官的結構概覽，然后對選定的 VOI 進行多次高分辨率掃描。25 μm/體素掃描清楚地識別了宏觀特征，例如肺中的單個小葉、心臟的四個腔室和相關的冠狀動脈。
更高分辨率的掃描成功地可視化了器官中的功能單元，并對某些特化細胞進行了成像。例如，在大腦中，HiP-CT 顯示了小腦層和單個浦肯野細胞。肺圖像顯示小葉間隔和間隔靜脈，以及終末支氣管和被識別為肺細胞和/或肺泡巨噬細胞的明亮細胞大小的物體。心臟圖像顯示成束的心肌纖維包括單個心肌細胞，而腎臟中可見上皮小管，脾臟中可見紅色和白色的髓質。
新冠相關的肺損傷
該團隊還使用 HiP-CT 來研究死于新冠相關急性呼吸窘迫綜合征的患者肺組織的結構變化。以 25 μm/體素成像的肺切片在肺外周包含高強度區域，與臨床放射學發現一致。
以 6 μm/體素掃描 VOI 顯示異質實質損傷，一些繼發性肺小葉比其他肺小葉惡化程度更大。該團隊以 2 μm/每體素對受影響更嚴重的小葉進行了更高放大倍率的圖像。掃描顯示，新冠感染如何嚴重地重塑肺部最細小的血管，導致血液在為全身供氧的毛細血管和為肺組織本身供氧的毛細血管之間分流。這種交聯阻止了患者的血液被適當地充氧——這個過程以前被假設但沒有得到證實。
“通過將我們的分子方法與受新冠肺炎影響的肺部的 HiP-CT 多尺度成像相結合，我們獲得了新的理解，即在新冠感染的肺部中，肺部兩個血管系統中的血管之間是如何分流的，以及它的影響對我們循環系統中的氧氣水平有影響，”漢諾威醫學院的Danny Jonigk 解釋說。
研究人員強調，隨著同步加速器技術的進步，HiP-CT 將繼續發展。預計明年完成一條新的 ESRF 光束線將提供幾項關鍵進展。
“光束 [將] 更大和更高的能量，希望能夠以 20 微米體素掃描整個軀干，同時仍然能夠局部放大到 1 微米。增加的光束尺寸可以提高相同樣品尺寸的速度，”項目負責人Peter Lee告訴物理世界。“我們希望建立一個中心，幫助我們在人體器官圖譜中填充具有統計意義的健康和疾病器官數量。”
