世界上最亮的X射线开启医学影像革命： HIP-CT成像技术
来自伦敦大学学院和欧洲同步辐射光源（ESRF）的科学家，成功地使用了一种Hierarchical Phase-Contrast Tomography(HiP-CT）成像技术，完成了对捐献的人体器官扫描，包括对曾患Covid-19的捐献者的肺部进行成像。使用HiP-CT，来自德国和法国临床医生组成的研究团队观察到严重的新冠病毒感染如何在为血液供氧的和为肺组织本身供血的毛细血管，这两个分离的系统之间“Shunting”血液。这种交叉连接会阻止患者的血液得到适当的氧合，这是以前的假设，但尚未得到证实。
这项技术使用的X射线，由位于法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射光源提供，该光源最近经过一系列的升级、改造，又名Extremely Brilliant Source upgrade (ESRF-EBS)。这次EBS升级成为了世界上第一个第四代同步辐射，提供了世界上最亮的X射线源。这使X射线的性能在“亮度和相干性 ”方面提高了100倍，这个设备产生的X射线比传统医院X射线亮1000亿倍。正是由于超强的光源亮度，使用研究人员可以在完整的人肺中观察到直径为5微米（头发直径的十分之一）的血管。临床CT扫描只能分辨出大约100倍大、直径约1毫米的血管。
伦敦大学学院的科学家Claire Walsh(左)和ESRF的Paul Tafforeau(右)在ESRF进行实验
这种新的x射线技术可以将整个器官成像到1μm的分辨率
ESRF的首席科学家Paul Tafforeau解释说：“开发这种新的HiP-CT技术的想法是在全球新冠大流行之后产生的，通过结合ESRF用于大型化石成像的几种技术，并利用ESRF新的极亮光源ESRF-EBS提高的灵敏度。这使我们能够在3D中看到完整人体器官中令人难以置信的小血管，使我们能够在3D中将血管与周围组织区分开来，甚至能够观察到一些特定的细胞。”
利用这项新技术，伦敦大学学院的研究人员带领的一个团队正在启动一个名为 Human Organ Atlas的项目。这个项目的领导人Peter Lee说：“Human Organ Atlas的目标是填补我们对人体解剖学理解的空白。临床CT和MRI扫描可以分辨到一毫米以下，而组织学（在显微镜下研究细胞/活检切片）、电子显微镜（使用电子束生成图像）和其他类似技术可以分辨出亚微米级精度的结构，但只能对器官组织的小活检进行分辨。HiP-CT以3D方式连接了这些标尺，对整个器官进行成像，为我们的生物构成提供新的见解。”
Human Organ Atlas将是一个免费的在线资源，它启动时显示了几个关键的人体器官，包括大脑、肾脏、心脏和脾脏。该项目还提供了健康肺部与已故新冠肺炎患者肺部的对比成像。
新冠肺炎恶化的一个基本病理标志是血液含氧量急剧下降，HiP-CT成像揭示了这种情况是如何通过一种被称为“Shunting”过程诱发的。以前曾假设新冠病毒通过增加肺部的分流水平降低血氧率，但此次成像是该过程的第一个直接证据。
汉诺威医学院从事该项目的研究员Danny Jonigk说：“通过将我们的分子方法与受新冠肺炎影响的肺部的HiP-CT多尺度成像相结合，对COVID-19损伤的肺部中肺的两个血管系统之间的血管分流以及它对我们循环系统中的氧气水平的影响，我们有了新的理解。”HiP-CT旨在为医生提供一个记录不同疾病如何影响各种器官的图像库。这种从未见过的结构数据说明了疾病如何影响组织结构，其分辨率可小至一微米。
参与该项目的伦敦大学学院的机械工程师Claire Walsh说道，详细的图像将与机器学习技法一起使用，以提高从临床成像（如MRI和CT扫描）中产生的洞察力。除了有助于更好地校准和改进这些现有技术外， Walsh认为HiP-CT数据还将帮助研究人员开发出比MRI和CT成像更清晰的AI系统。Walsh表示：“像这样跨尺度观察器官的能力，对医学成像来说确实是革命性的。当我们开始通过AI技术将我们的HiP-CT图像与临床图像联系起来时，我们将第一次能够高度准确地验证临床图像中模糊的发现。”
HiP-CT新技术的有关研究已发表在《Nature Methods》上。
点击链接查阅发表文章：https://www.nature.com/articles/s41592-021-01317-x
参考信息：
Imaging intact human organs with local resolution of cellular structures using hierarchical phase-contrast tomography, C.L. Walsh et al., Nature Methods (2021); https://doi.org/10.1038/s41592-021-01317-x
https://newatlas.com/medical/hipct-xray-imaging-human-organ-project/
https://www.esrf.fr/home/news/general/content-news/general/ebs-x-rays-show-lung-vessels-altered-by-covid-19.html
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