同步辐射技术应用于小鼠肾脏的成像与病理对照

刘安娜 马紫瑶 彭屹峰* 肖体乔 杜国浩 何 伟

自1895年伦琴发现X线后，X线在医学上得到广泛的应用，但获得的都是X线穿透物质所产生的吸收衬度信息。其实除吸收衬度外，还包括X线的相位改变、衍射、折射、散射、荧光和光电子的激发信息等，其中相位衬度成像信息，具有高密度分辨率和高空间分辨率等优点，可以获得弱吸收衬度组织(含C、H、O成分为主)的清晰微结构显示，同时获得更好的分辨率[1]。

同步辐射基于其良好的光源特征可以进行相位衬度成像，目前开展的同步辐射相位衬度成像方法主要有干涉法[2]、衍射增强法[3-4]和类同轴法[5-6]。由于干涉法对光路及样品精度要求非常高，在生物医学应用研究应用较少，目前应用较多的是衍射增强法和类同轴成像方法。

慢性肾小球肾炎（chronic glomerulonephritis）是临床上常见的疾病，目前诊断主要依靠临床及实验室生化指标，影像诊断无法提供病变的早期信息，相位成像基于优质的成像机制尤其适应于软组织的微细显示，如能应用于肾脏方面的研究无疑对于我们临床诊断和治疗将取得较好的帮助作用。

本研究旨在通过同步辐射技术进行小鼠正常肾脏及病变肾脏（慢性肾小球肾炎模型）组织样品的成像，并与病理学结果对照，评价相位技术在肾脏方面的价值。

方 法

动物模型的准备，健康雄性小鼠作为本次实验的对象，被分为两组，对照组和为CGN模型组，耳缘静脉隔周注射17mg /kg盐酸阿霉素。摘除肾脏分别病理组织切片观察，剩下部分均固定在4% 福尔马林溶液中。每个样品大小约7mm。

同步辐射衍射增强成像（DEI）实验能量为12keV，X光源和样品间距离1.5m，样品和成像板（探测器）距离为2m。扫描摇摆曲线后选择曲线上的位点再行成像，一般选择取经典位置（峰位、双侧腰位及底位）作为研究目标。

类同轴成像实验采用由单色器晶体引出的单色光对样品进行成像。单色光能量为12 keV，有效距离选用150cm。以上所有实验标本均同时取相同组织经过染色进行病理学对照研究。

结 果

在小鼠肾脏大体标本的成像实验中，肾脏血管结构显示较为清楚（图1），包括从肾脏皮质、髓质及周围的小血管均可获得清晰显示。而与肾脏大体病理标本（图2）的对照中可以获得较好的一致。

断层扫描成像实验显示肾脏的诸多微细结构（图3），包括近曲、远曲小管等诸多肾脏组成微细结构，以及肾小体、肾小囊结构，其分辨率约为10μm量级，与肾脏病理显微成像（图4）的信息均高度一致。肾小球是肾脏构成的基本功能和解剖单位，位于皮质迷路和肾柱内，直径约20μm，由肾小囊和血管球组成，肾小囊（renal capsule）是肾小管起始部膨大凹陷而成的杯状双层囊，血管球是肾小囊中的一团蟠曲的毛细血管。

在对正常肾脏与GGN模型的肾脏的对照研究中，正常肾脏（图5A）显示完整健全的肾小球、肾小囊、肾小管结构、清晰的系膜和间质；三维重建后（图5B）显示肾脏微结构，肾单位、肾小管及肾间质较清晰；获得的病理切片中，正常肾脏（H-E染色×100，图5C）显示微结构清晰，血管形态正常。慢性肾小球肾炎（CGN）的肾脏模型中，切片（图5D、E）显示肾小囊损伤，肾小管稍扩张，间质水肿，细胞浸润；间质模糊渗出性改变，系膜增生；同时获得的GGN

图1 小鼠肾脏冠状面SR成像。图2 小鼠肾脏大体病理标本。图3 肾脏SR高分辨成像。图4 肾脏标本病理显微成像。

图5 正常和病变两组肾脏间组织学( H-E 染色×100) 、DEI 及三维图（A～F）。A.正常肾脏SR高分辨成像。B.正常肾脏SR三维成像。C.正常肾脏病理影像。D.CGN病变SR高分辨成像。E.CGN病变肾脏SR三维成像。F.CGN病变肾脏病理影像。

病理切片（H-E染色×100）（图5F），显示肾脏微结构稍紊乱，微血管增生、扭曲，间质系膜增多。

讨 论

同步辐射（synchrotron radiation，SR）是高能量电子或正电子作加速运动时所发射的电磁辐射。1946年Blewett首先在电子加速器上观察到同步辐射，标志着一种新的光源时代开始。目前医学影像学的X线成像采用吸收成像，其最大弱点是对软组织的分辨力较差。从微观上，相位随密度变化的衬度比吸收变化的衬度要高得多，利用相衬信息有可能获得更清晰的软组织成像。

衍射增强成像技术最大特点是在样品与探测器之间使用了一块与单色器晶体一致的分析晶体，无须采用干涉方法就可以获得物体的相位分布。类同轴成像主要依赖于X射线的折射作用。

常规临床影像学由于基于吸收衬度无法提供诊断肾脏病变较有力的信息。基于相位衬度成像方法在成像机制上的突破和改进带来了这方面的发展。近年来应用同步辐射开展肾脏成像的研究有较大发展；]Gang等[7]采用最简单的两块晶体研究了肾脏切片厚度与成像质量之间的关系。陈志华等[8]采用同步辐射DEI成像显示一个肾段的细微解剖结构，最细的分支直径为30μm。Yong等[9]在韩国Pohang Light Source (PLS)装置上，应用同步辐射折射成像方法，对肾脏正常及癌肿组织进行了成像研究，显示相当于700倍光学显微镜下的微细组织结构。

肾小球是肾脏解剖和功能的基本单位，肾小球的病变是肾脏病变的基础。在我们的实验中[10]，通过建立动物实验模型获得的成像具有较好的效果，如果进一步建立动态观察、同时进一步提高图像分辨率，优化成像参数等诸多改进措施将有望获得很好的成像效果[11]。