基于X射线相位衬度的人耳解剖结构成像

石宏理，王 杰，罗述谦

1 首都医科大学生物医学工程学院，北京，100069

2 首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉外科，北京，100730

基于X射线相位衬度的人耳解剖结构成像

【作 者】石宏理1，王 杰2，罗述谦1

1 首都医科大学生物医学工程学院，北京，100069

2 首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉外科，北京，100730

基于相位衬度的CT技术应用于听觉系统成像，得到了包含丰富细节信息的中耳三维解剖结构。

人耳解剖结构；鼓膜修补；人工耳蜗；X射线；相位衬度成像。

0 引言

人耳包括外耳、中耳和内耳三部分。由于位觉感受器也位于内耳，因此人耳可声音感知和运动状态感知，又叫位听器。外耳道是一条自外耳门至鼓膜的弯曲管道，由软骨和骨质构成。外耳道与中耳以鼓膜为界。鼓膜为半透明的薄膜，呈浅漏斗状，凹面向外，边缘固定在骨质腔上。经过外耳道传来的声波，能引起鼓膜的振动。中耳的主要组成部分是三块听小骨：锤骨、砧骨和镫骨，镫骨的底板附着在内耳的卵圆窗上。三块听小骨之间由韧带和关节衔接，组成为听骨链。鼓膜的振动可以通过听骨链传到卵圆窗，引起内耳里淋巴的振动[1]。

一般将内耳分为前庭、半规管和耳蜗三部分，具体结构各文献报道有差异，尚未有统一结论。由结构复杂的弯曲管道组成，所以又叫迷路，由骨迷路和膜迷路构成。骨迷路由致密骨质围成，是位于颞骨岩部内曲折而不规则的骨性隧道。膜迷路是套在骨迷路内的一封闭的膜性囊。膜迷路内充满内淋巴液，骨迷路和膜迷路之间的腔隙内被外淋巴液填充，且内、外淋巴液互不相通。前庭和半规管是位觉感受器的所在。耳蜗是听觉感受器的所在。鼓膜的振动引起三块听小骨的同样频率的振动。振动传导到听小骨以后，由于听骨链的作用，大大加强了振动力量，起到了扩音的作用。听骨链的振动引起耳蜗内淋巴液的振动，刺激内耳的听觉感受器，兴奋后所产生的神经冲动沿位听神经中的耳蜗神经传到大脑皮层的听觉中枢，产生听觉[2]。

临床中比较常见的听觉障碍是鼓膜穿孔或耳蜗中毛细胞损伤所至。鼓膜具有一定的弹性和韧性，在正常的情况下不容易损伤、穿孔。直接原因多见于头部受外伤，合并颞骨骨折损伤鼓膜，或者反复中耳炎会使鼓膜穿孔增大、中耳粘连硬化，造成鼓膜穿孔。鼓膜穿孔最好的治疗方法是鼓膜修补[3]，它不仅可提高听力，还可重新建立一道屏障，防止中耳炎反复发作。鼓膜修补的方法有手术及烧灼两种。烧灼方法无须开刀，简便易行，但受条件限制较多。手术方法是在耳内或耳后开刀，取自体组织植入鼓膜位置，多取自身的骨膜、静脉或颞肌筋膜。但植入体的尺寸大小，如面积和薄厚，对恢复正常听力影响很大，需要准确得到中耳的结构，并建立准确的中耳有限元模型。

80%以上的重度或极重度耳聋是耳蜗中毛细胞损伤所至。人工耳蜗植入是目前应用于临床治疗双侧重度或极重度感音神经性耳聋的唯一方法[4]。人工耳蜗的工作原理是通过人工耳蜗装置，将语言声音信号转换成电信号（替代了缺损毛细胞的功能）直接刺激听神经，使患者重获听觉功能。人工耳蜗装置包括体外装置和体内植入装置两部分，体外装置采集语音信号并转换为电信号，电信号经过特殊的数字化处理，按照特定的语音处理策略编码，通过载在耳后的无线发射线圈传送到体内植入装置；体内植入装置的接收线圈接收到信号后，经过解码芯片解码，使植入耳蜗的电极阵列产生具有声音特征的电流，直接刺激听神经产生听觉。人耳耳蜗研究的关键技术之一是听觉仿声机制，即耳蜗的感音过程和机理。精确的人耳组织形态结构在理解听觉形成机制、听觉系统建模、语音识别和处理等很多方面都有着很重要的应用，是研究耳蜗的感音过程和机理的关键。这一切均依赖于人耳解剖结构在微米级上的结构成像。在临床中，除可以根据中耳有限元模型提高鼓膜修补手术效果外，其应用价值还包括三个方面：研究中耳生理、病理传声特性；辅助设计人工听小骨等。

但软组织的X射线吸收率很低，吸收衬度很小，无法表现组织内部结构。因此通常的CT成像不能建立人耳的三维解剖结构。由此必须寻找新的成像方法，以解决以精细结构和低吸收组织为特点的人耳结构成像。近年来，X射线相位衬度成像方法的研究和应用发展迅速，理论和技术均在不断的更新。从成像机理看，X射线相衬成像利用弱吸收组织相位变化比吸收变化敏感得多的特点，反应X射线与物质作用时产生的多种效应(散射、折射、吸收等)，将这些效应转变为强度变化，在成像装置上形成图像。从实验技术上看，获得X射线相位信息的方法主要有干涉法[5]、衍射增强法[6]和同轴(inline)法[7]3种。同轴法由于装置简单和操作方便，用于临床备受关注。1995年前后，澳大利亚科学家Wilkins领导的研究小组和法国欧洲同步辐射加速器装置(ESRF)的科学家们分别采用微聚焦点光源[8,9]和同步辐射装置[10,11]，应用同轴方法得到了X射线相位衬度图像。采用同步辐射装置作为光源的相位衬度计算机X射线断层摄影术的研究Andrei V Bronnikov等也已经取得了很大的进展[14-16]。近几年，国内的X射线相位衬度成像研究也取得了较好的进展[12,13]。已有数家单位建有同步辐射装置，其中上海光源 ( Shanghai Synchrotron Radiation facility，SSRF)[17]是一台高性能的第三代同步辐射光源。下面介绍采用上海光源和同轴法拍摄人耳结构的成像过程。

1 实验设备、实验过程和结果

1.1 实验设备

上海光源的BL13w1（X射线成像及生物医学应用）线站成像，试验台如图1所示。

1.2 样本的制备

取人耳的中耳部分，去除外围的无关组织，切割研磨为大小约为1.5×1.5×3 cm的标本，在4%的甲醛溶液(formalin)中保存，在成像半小时前取出，并用棉球吸干水分，将样品置于透明的塑料薄膜中。成像时，沿外耳道方向水平置于样品架上，设法固定。

1.3 实验过程

将样本在上海光源的BL13w1（X射线成像及生物医学应用）线站成像。摄像系统分辨率约为11μm，能量约为15 KeV。CT成像时共拍摄1000余幅图像，最后在BL13w1线站的工作站上通过重建得到350余幅断层图像，其中部分图像如图2所示。

图1 试验台Fig.1 The test-bed

图2 中耳的不同断层Fig.2 The slices of middle ear

1.4 3D重建结果

通过Amira软件，将断层图像重建为三维图像，部分断面（视角）的图像如图3所示。

1.5 结果分析

结果表明，对于人耳软组织等弱吸收或吸收差异很小的样品，利用相位衬度X射线成像能够得到比传统的吸收衬度成像高质量的图像，如从图2、3中可以分辨出鼓膜、中耳关节及其韧带等精细结构.这对于一般用CT或MRI成像是不可能获得的。这些结构信息为建立中耳有限元模型提供基础。中耳有限元模型的临床应用价值非常重要，概括起来主要包括三个方面：研究中耳生理、病理传声特性；提高听力重建手术效果；辅助设计人工听小骨。

图3 中耳的3D重构结构Fig.3 The three-dimensional reconstructed structure of middle ear

2 结论和展望

本次在上海光源的实验，由于设备刚完成调试，安排的机时比较少，用于完成人耳成像的时间比较少，因此选用的X射线CCD分辨率较低，成像的范围比较小。但结果仍然表明，对于弱吸收和吸收差异很小的生物体软组织，或组织结构非常精细的器官，利用相位衬度X射线成像是非常有效的方法，能够得到比传统吸收衬度成像无法得到的图像。在以后的实验方案中，我们将进一步实现对中耳内耳成像，着重对内耳成像。为了获得更加清晰的重建图像,我们将采取改进实验样本，采用高分辨力的X射线CCD（上海光源有分辨率更高的X射线CCD），优化相位重建算法等措施，加快X射线相衬成像在临床中的应用步伐。

致谢：

感谢中国科学院上海光源BL13w1（X射线成像及生物医学应用）线站成像的工作人员，特别是肖体乔研究员和邓彪、杜国浩博士等，在实验数据采集和处理方面给予的大力支持和帮助。

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[17] http://ssrf.sinap.ac.cn/1/jianjie.htm [OL].

The Human Ear Anatomical Structure Imaging Based on X-Ray Phase-Contrast

【 Writers 】Hongli Shi1, Jie Wang2, Shuqian Luo1
1 School of Biomedical engineering ,Capital Medical University, Beijing, 100069
2 Beijing Tongren Hospital af fi liated to Capital Medical University ,Beijing, 100730

ear anatomic structure, eardrum repair, cochlear implant, X-ray, Phase-Contrast imaging.

R318.1

A

10.3969/j.isnn.1671-7104.2010.06.002

1671-7104(2010)06-0396-03

2010-07-05

国家自然科学重点基金项目(60532090)、国家自然科学基金(60972156)、北京市自然科学基金(4102017)。

通行作者：罗述谦，shuqian_luo@yahoo.com.cn

【 Abstract 】In this paper, the ear anatomic structure imaging is implemented based on X-Ray Phase-Contrast CT. The results of experimentation demonstrate the ef fi ciency of the proposed scheme.