从“黑暗”中浮现的新型X射线成像技术

（转载）X射线用于临床已经走过了漫长的道路，但目前所有应用都是基于X射线的粒子特性，其波动性尚未被发掘。

暗场成像(Dark-field x-ray)的问世为之带来了希望。

传统X射线是利用其对不同密度和厚度的人体组织有着不同穿透性来进行成像的。

暗场X射线成像与此不同，它利用了X射线的波动特性，是基于X射线的小角度散射。这种效应发生在不同密度的组织之间的过渡处，比如组织和相邻的空气或流体之间。其原理类似于水中的光折射，只是规模要小得多。

相比于传统X射线成像，这种小角度散射的辐射量较低，而且能够提供传统X射线成像所看不到的微结构信息。

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德国的慕尼黑工业大学自开发出暗场成像系统以来，曾经进行了大量动物研究。结果表明，胸部暗场成像的信号在干扰肺泡结构的肺部疾病中有所减少，比如肺气肿、肺纤维化、肺癌，以及呼吸机所导致的肺损伤。

2018年10月，他们启动了首个针对人体COPD早期诊断的临床试验，招募到40名健康受试者，研究结果在线发表于2021年8月24日的Radiology杂志上。这项临床试验利用了开发出的一款原型机，可以同时获得X射线常规胸片和暗场胸片。在暗场成像下，骨骼结构和软组织仅能产生微弱的暗场信号，这一特性使肺组织得以详细描述，而不会受到周围结构的干扰。

研究发现，基于总暗场信号和肺部大小的定量X射线暗场系数与受试者的特征无关。

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为了生成暗场图像，慕尼黑工业大学的科研人员将干涉仪耦合到X射线设备，记录散射，并将其转换为图像信息。这种做法的优点在于来自传统和暗场X射线的图像信息是并行记录的，两种模式相互补充用于诊断，无需多次辐射照射。

目前，肺部是暗场成像的主要应用领域，因为肺泡结构中包含有许多空气和组织之间的过渡。以肺气肿为例，如果是健康肺部，这些结构是完整的，因此会产生强烈的暗场信号，图像上反映出来这些区域很亮；而肺气肿会产生黑色暗斑，因为肺泡结构被破坏，因此仅有很少的过渡区域。

研究人员指出，传统X射线成像也可以检测到肺部的这种病变，但时间要晚得多。而暗场成像没有骨骼和周围组织的叠加，因此可以更清晰地观察到微观结构，并且可以更早地检测到病理变化。虽然CT一直是早期检测的首选方法，但暗场成像的辐射要低得多，同时灵敏度相当。

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利用暗场成像诊断其他肺部疾病的研究也在进行中。在过去的几年里，新冠的诊断无疑是一大焦点。

此前，慕尼黑工业大学的科研人员测试了一种新的暗场胸部X射线成像设备原型，并发现该系统可能对诊断新冠肺炎很有价值，研究成果发表于2022年11月21日的Communications Medicine上。

在这项研究中，志愿者于2020年5月-12月间在慕尼黑医院接受了疑似新冠感染的胸部CT检查。最终研究小组挑选出40名健康者和60名新冠患者。原型机在每帧约17毫秒的时间窗内同时获得基于衰减和暗场的胸部X射线成像，一次扫描最多包含195帧图像，拍摄时间约为7秒。由四名具有不同水平暗场成像经验(2年、5年、7年和9年)的放射医师进行评估。

结果显示，暗场X射线成像技术在评估新冠肺炎方面优于传统X射线成像。

科研小组的最终目标是引入一种低辐射的医学成像方式替代CT，用于新冠肺炎的检测和随访。尽管在这项研究中，同时读取暗场胸部X光片和常规胸部X光片时，放射医生获取到的敏感度不如CT，但仍然是相当高的，而且辐射剂量远低于CT。不过研究人员表示，未来还需进一步改进技术，继续评估原型机在肺部成像方面的潜力。

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正如慕尼黑工业大学科研人员曾在ECR2022上所言，暗场X射线的应用其实并不仅仅局限于肺部，理论上来说，这种模式适用于所有因疾病而改变或出现微结构的人体器官，比如肾结石的形成、乳腺X线检查中的微钙化或骨质疏松症等肌肉骨骼疾病，所有这些都可以在暗视野中观察到，还可以用来观察痛风疾病中形成的尿酸结晶。

欧洲放射学会旗下杂志——European Radiology Experimental近日(2024年11月4日)公开的一篇文章显示，德国的研究人员进一步揭示了暗场X射线成像在骨科方面的应用。

来自慕尼黑大学附属医院诊断与介入神经放射学研究所、慕尼黑工业大学等机构的研究人员发现，暗场X射线成像可以观察到骨骼微观结构，并可能在评估骨质疏松症方面发挥作用。

他们对人类尸体椎骨的研究显示，暗场信号与CT测量的微结构骨参数之间存在显著相关性。

研究人员指出，与此前对肺部患者的研究相比，骨骼样本和X射线束之间需要更大的距离，以增加骨骼结构的暗场信号灵敏度。他们通过在水浴中扫描来减少样本周围空气的潜在影响。

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正在进行的暗场研究还包括与其他成像方式(比如CT)的结合。

通过断层切片，从暗场收集的信息可以转化为3D图像。不过，在人体CT实施暗场成像面临着各种技术挑战，被限制在比人体体型小得多的范围。除了尺寸之外，CT机架的高速旋转也给技术设计带来了特殊困难，由此导致的振动会影响设备内部的微调组件。

慕尼黑工业大学研究人员已经开发出一款原型机，将暗场成像与临床CT设备结合起来，一次扫描即可捕获常规和暗场X射线图像，能够用于人体上半身胸部模型，并且尺寸足够大，可以在真实患者身上重复预期应用，不仅能够诊断肺部疾病，还可以区分各种类型的肾结石和组织沉积物。

这项研究成果在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences杂志(《美国国家科学院院刊》)。

暗场成像的一大便利之处是可以与常用X射线系统相兼容，只需要添加一个干涉仪。据慕尼黑工业大学的研究人员介绍，制造此类设备所需的微型栅格的公司已经在致力于将转换套件推向市场。

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除了针对肺部的暗场成像外，日本研究人员还利用暗场CT对人体乳头进行了成像。 

结果表明，暗场CT提供的图像与常规苏木精-伊红染色组织切片的低倍光学显微镜图像几乎相当，可用于乳头的无创性诊断。这一研究成果发表于2020年的Breast Cancer Research and Treatment杂志。

在国内，一些院校和企业均有相关研究。新思界产业研究中心发布的《2022-2026年暗场X射线成像行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，基于暗场成像技术的产品已经开始涌入市场，如暗场显微镜、暗场CCD相机、暗场照明器等。随着技术进步，未来，暗场CT设备有望用于临床，届时肺部成像或将优先受益。