X射线成像及医学应用.pdf

上海光源国家重大科学工程初步设计 5.6 X 射线成像及医学应用光束线 5.6.1 科学目标 第三代同步辐射光源以其高亮度、高通量及能量可调等显著优点使得新的 X 射线成像方法飞速发展起来。X 射线成像方法包括吸收衬度成像、位相衬度成像 及双色减影成像等各种相干及非相干成像方法。第三代同步辐射光源可以为生物 医学、材料科学、考古学、地球物理学及先进制造业等应用领域提供一个非常先 进的工具。 在这些应用领域中，同步辐射的医学应用正变得越来越重要。早期基于同步 辐射应用的医学研究主要包括医学成像，用于早期诊断和辐射治疗。一个非常重 要的例子就是冠状动脉成像，冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，也是 老年人最常见的一种心血管疾病。使用 X 射线能量在碘 K 吸收边处、辐射通量比 X 光机高 4 到 7 个数量级的同步辐射光，利用晶体单色仪从入射白光中选出能量 分别位于碘 K 吸收边上缘和下缘的两束准单色光，进行双色数字减影快速成像。 1976 年底美国斯坦福大学首先提出并于 1979 年在 SSRL 启动了同步辐射人体冠 状动脉造影计划。紧接着，前苏联 Novosibirsk 的核物理研究所，德国汉堡的 HASYLAB，日本筑波的 PF 也开始了这项工作。迄今为止，已有三个装置（NSLS， HASYLAB，PF）开展了人体的心血管造影研究。特别是德国 HASYLAB 的 NIKOS 装置，到 1999 年 10 月已完成对 379 个病人的测量。这表明，同步辐射心血管造 影装置正在开始进入实用阶段，这种方法也能够被病人很好接受。位于法国 Grenoble 的欧洲同步辐射装置（ESRF）也建造了专用的医学应用实验站(ID17)并 于 2000 年 1 月开展了首例心血管造影的人体研究。哮喘是一种非常常见的疾病。 随着工业化的发展，越来越多的人患上了这种疾病，在同步辐射实验站上已经开 展了一些关于肺成像的开创性研究。严重危害人类健康的另一类疾病是癌症。恶 性肿瘤的早期诊断对于有效延长患者的生命进而彻底根治癌症具有决定性的意 义。近年来，同步辐射技术的应用使得医学影像学在这方面有十分显著的进展， 如观测头和颈部肿瘤的计算机断层扫描术、乳房肿瘤的 X 射线成像术。一些新的 实验技术的出现，如相位衬度成像术（Phase Contrast Imaging）和衍射增强成像 术(DEI)，使得成像诊断的分辨率有了成倍的提高，恶性肿瘤的早期影像诊断技术 正在逐步趋于实用化。近年来利用衍射增强技术对人体关节软骨的成像已在 SYRMEP/ELETTRA 和 PF 等同步辐射装置上取得了成功。对造影剂剂量的直接 测量可以使我们得到一些功能性参数如脑血管体积或流量及渗透效率等，这些参 数对大脑疾病的病理分析、治疗效果及研究新型的造影剂等都是非常重要的。 同步辐射另一个非常重要的应用是辐射治疗。三种辐射治疗技术，包括微束 辐射治疗(MBRT)，层析治疗和光子激活治疗正在开发中，用于老鼠的脑肿瘤治疗。 MBRT 在处理脑肿瘤方面非常有希望，它用微小的同步辐射光束，传递到肿瘤细 5-119 第五章 同步辐射实验设施 胞上的剂量足以将肿瘤细胞杀死，同时对周围正常的大脑细胞不造成损伤。从预 诊阶段到肿瘤的治疗这重要的一步已在 ESRF 上成功实现。国内一些初步性的医 学成像实验已在 BSRF 和实验室微聚焦管 X 射线光源上开展，有助于在 SSRF 的 实验站上开展新的成像技术研究。 新的成像方法包括同轴位相衬度成像(IL-PCI)，衍射增强成像(DEI)和显微层 析成像(MCT)等将在上海光源的 X 射线成像及医学应用光束线站上得到开发。开 展二维和三维的吸收衬度成像、位相衬度成像及双色减影成像方法。上海光源的 X 射线成像及医学应用光束线将包括两个实验站，第一个实验站位于实验大厅内， 第二个实验站计划将来建在另一个厅内。第一个实验站主要开展医学诊断及成像 技术的研究，包括实时的