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上海光源科学中心X射线运动衬度血管造影成像研究获新进展

来源:上海高等研究院

发布时间:2020-08-09

近日,中国科学院上海高等研究院肖体乔研究员团队和上海交大生物医学工程学院杨国源教授团队合作发展了一种新型X射线血管造影成像方法—运动衬度血管成像(Move contrast X-ray angiogra-phy,MCA)。该方法基于上海光源成功实现了小动物模型微血管的高分辨率、高信噪比成像,研究成果近日以“Sensitive imaging ofintact microvessels in vivo with synchrotron radiation”为题发表在创刊于伦琴发现X射线100周年的国际晶体学会会刊《IUCrJ》上。 

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图1:运动衬度X射线血管造影成像原理验证实验结果



许多疾病的早期阶段,例如中风、高血压、肿瘤血管生成、脊髓损伤和修复等,都与微血管的变化密切相关。啮齿类动物模型(如小鼠)被广泛应用于疾病演化及治疗的临床前期研究,小动物模型远小于人体的体积决定了其微血管成像需要更高的空间分辨率,同步辐射光源因其高通量密度特性而被广泛用于血管疾病小动物模型的临床前期研究。目前通常采用数字减影血管造影术(Digital subtraction X-rayangiography, DSA)来实现微血管成像,利用造影剂灌注前后时刻的影像相减来消除复杂背景的干扰。但由于感兴趣区域邻近组织的非自主运动、造影剂在血管内存留时间短等因素的影响,传统的X射线血管造影方法很难实现活体内微血管的高灵敏、高清晰成像,亟需发展一种能实现完整微血管高分辨成像的X射线血管造影术。


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图2:运动衬度X射线成像实现动、静脉微血管分离成像



基于上述原因,肖体乔研究员团队联合杨国源教授团队提出并发展了一种基于运动衬度X射线成像(Move contrast X-ray imaging,MCXI)原理的血管造影成像方法,该方法可针对活体内部不同组织的运动特性将其区分开来、分别成像。小动物活体的实验结果表明,MCA方法成功实现了复杂背景、近邻组织运动、高频噪声和完整微血管的独立成像(图1),从而消除其相互干扰,大幅提高了微血管成像的分辨率。进一步的灵敏度测试实验结果表明,即使将造影剂浓度降低一个量级即稀释到原有浓度的10%,仍能实现小动物活体脑部微血管系统的完整成像。MCA的高灵敏、低造影剂量特性,有望用于肾功能不全、造影剂高风险(如糖尿病)、造影剂过敏等疾病的临床前期研究。


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图3:运动衬度X射线成像实现造影剂脉冲灌注的完整尿道成像



利用灌注全过程的时域动态信号重构图像,MCA可实现造影剂在血管内部运动轨迹的完整成像。实验结果表明,该方法成功实现了动、静脉血管系统的分别成像,从而消除不同微血管系统的相互干扰(图2)。此外,对于脉冲灌注(如输尿管)的微管道造影成像,传统DSA很难获得其完整影像,利用MCA方法则可以实现小鼠输尿管的清晰成像(图3)。因此,MCA可为血管疾病小动物模型的临床前期及相关血流动力学研究提供一个全新的手段。由于其数据采集方式与目前临床DSA类似,运动衬度血管造影成像方法有望应用到临床诊断。

该项研究得到了国家基础研究重点研发项目和国家自然科学基金项目的资助。