一项新的研究表明，最近开发的紧凑型光源(CLS)——一种商业x射线源，源于能源部SLAC国家加速器实验室的研究和开发工作——使计算机断层扫描能够显示比今天在医院进行的常规扫描更多的细节。这项新技术可能很快用于临床前研究，帮助研究人员更好地了解癌症和其他疾病。
x射线计算机断层扫描(CT)具有对人体横截面成像的能力，已成为医学上重要的诊断工具。当涉及到骨骼和其他密集的身体部位强烈吸收x射线时，传统的CT扫描非常详细。然而，该技术在“软组织”(如器官)的可视化和区分方面存在困难，这些软组织对x射线来说更透明。
德国慕尼黑工业大学的生物医学物理学教授Franz Pfeiffer说:“我们的工作表明，我们可以用紧凑型光源取得更好的结果。”CLS允许我们进行多模态断层扫描，这是一种更先进的x射线成像方法。”
不止一种对比
CT扫描的细节量取决于亮度或对比度的差异，这使得一种组织与另一种组织区分开来。x射线的吸收——标准CT的基础——只是产生对比的一种方法。
另外，通过弯曲或散射x射线，组织改变入射x射线方向的方式也会产生反差。这些技术分别被称为相衬和暗场CT。
“器官和其他软组织没有很大的吸收对比度，但它们在相衬断层扫描中是可见的，”该研究的主要作者、慕尼黑工业大学的研究员埃琳娜·埃格尔说。“另一方面，暗场法对椎骨和肺泡等结构特别敏感。”
缩小同步加速器
然而，这些方法需要以特定方式排列的具有明确波长的x射线，而医院中的传统CT扫描仪无法充分提供这些特性。
为了获得高质量的相对比和暗场成像，研究人员可以使用同步加速器——电子在足球场大小的存储环中绕圈运行的专用设备，以产生所需的辐射——但这些都是大型而昂贵的机器，不能简单地在每个研究机构和诊所中实现。
相反，CLS是同步加速器的微型版本，它通过将激光与在桌子大小的存储环中循环的电子碰撞来产生合适的x射线。由于其占地面积小，成本较低，几乎可以在任何地方操作。
“欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是世界上最大的碰撞束流存储环，而CLS是最小的，”SLAC科学家罗纳德·鲁斯(Ronald Ruth)说，他是该研究的合著者之一。Ruth也是总部位于帕洛阿尔托的Lyncean Technologies Inc.的董事会主席和联合创始人，该公司基于SLAC早期的基础研究开发了x射线源。“事实证明，CLS的特性非常适合断层扫描等应用。”
更多的模式，更精细的细节
在最近的研究中，研究人员报告了第一次用CLS进行“多模态”CT扫描:他们同时记录了所有三种成像模式——吸收、相衬和暗场。科学家们利用从不同方向拍摄的361张幼年老鼠的二维x射线图像，生成了该动物的横截面图像。
“吸收图像只显示骨骼和充满空气的器官，”Eggl说。然而，相衬和暗场图像揭示了更多的细节，显示了不同的器官，如心脏和肝脏。我们甚至可以区分不同类型的脂肪组织，这是基于吸收的CT扫描无法做到的。”
使用化学定义明确的标准液体样本，科学家们还证明，他们不仅可以可视化，还可以量化其性质的差异——这些信息可以应用于各种身体组织，并且只有在结合所有三种断层扫描模式时才能获得。
对癌症的影响，材料
这项在CLS原型上完成的研究的成功，导致了第一个商业设备的调试。
研究人员的下一个目标是在临床前研究中使用CLS进行相衬和暗场CT扫描，这种方法可以帮助观察癌症。“我们与两家诊所密切合作研究肿瘤，”Eggl说。“我们的计划之一是对乳房组织样本和乳房切除术后的整个乳房进行成像，以更好地了解乳腺癌的临床情况。”
除了医学应用之外，多模态断层扫描还可以为材料科学开辟新的可能性，例如，在研究极其耐用和轻质的碳纤维和其他纤维材料时，x射线吸收对比提供的信息很少。
