显微X线断层成像在病理诊断中的前景课件

1、中电标数字医疗委员会 曹红光2016-06-17显微X线断层成像在病理诊断之应用前景目录疾病诊断的金标准 - 病理诊断当前病理诊断结果 - 滞后 非数字化病理图像发展史及变革X光在成像中的优势 - 吸收 能谱 相衬 清晰同步辐射成果延伸 - 轫致辐射成果纳米维景的创新 - 实现了同步辐射等效结果未来展望 - 继承 快速 无损 早期 在体2022/7/192022/7/1933临床询诊、体外生化诊断、医学影像学诊断、手术过程都不能做出疾病最终诊断结果，手术获得的标本也需要等待最终病理诊断来确认。疾病早期向医生陈述不适，医生通过初步诊断对疾病进行大致的分类和判断许多项目的血液生化检验项目可以帮助医

2、生排除一些可能或者提示严重程度CT、核磁共振等影像设备可以进一步提供疾病的线索，给出影像学诊断外科手术过程既是治疗措施也是明确诊断的过程，术后组织标本送病理科检查病理诊断是疾病的最终法定结论，手术标本在几天后获得终极病理报告结论初诊IVD检查影像检查手术病理确诊病理诊断是疾病最终诊断的金标准 当前病理诊断结果滞后 非数字化初诊ECG/IVDUS/DR/CT/MR15-30天 5天5光学显微镜应用于病理诊断至今已经有200年的历史，苏木紫-伊红染色也是100年前发明的化学染色方法。二者至今仍然是组织学和病理学无法替代的观察和染色工具，98%以上的病理诊断是依据上述两种技术获得的。病理诊断需要进行

3、手术取材、固定、脱水、包埋、切片、染色和光学显微镜观察等步骤，历时数天之后才可以发出诊断报告，此时往往是手术后的第3-5天。除了手术前对病理结果有着急切的期待以外，内科疾病治疗甚至一些病因不明的死亡患者都需要更早了解疾病真相。做为疾病诊断的金标准，病理检查结果提前获知对疾病治疗方案选择提供重要依据，并影响到治疗的最终效果。早期和在体获得病理诊断是所有医生的梦想，也是未来诊疗模式变革的重要焦点病理诊断流程的现状及变革显微镜观察屏幕可视化切片数字化数字蜡块+数字染色 病理学发展已有200年历史，主要依赖光学显微镜观察HE染色的切片。组织标本做成蜡块再进行切片染色的过程非常耗时，而且光学显微镜的分辨

4、率不高1665年前后，英国科学家胡克在前人基础上完成了近代显微镜，包括可以调焦和更换载玻片的工作台。主要靠苏木紫-伊红染色来区分酸碱性组织。上世纪末至本世纪初，由于CCD摄像机技术的出现，医生可以在监视器屏幕上观察病理切片的图像。二十一世纪出现了将病理切片的图像通过CCD摄像技术和数字化技术转化成数字图像，方便长期存档和远程交流。通过X线成像技术，直接生成数字蜡块，不需要病理切片即可观察到细胞级、亚细胞级的图像，并且可以提供比HE染色更加丰富的调色板。未来可能在人体直接对病变进行病理检查本项目通过光子纳米相衬X线CT成像技术可以更早获得病理诊断结果从前-15天确诊未来-1小时确诊现有病理诊断过

5、程本项目诊断过程术中标本光子显微CT扫描生成数字蜡块虚拟切片屏幕病理分析确诊远程会诊数据库染色A染色B染色C取材灌装防腐固定图文报告手术室科室病案室手术标本固定取材脱水浸蜡包埋切片染色封片镜下病理分析确诊难以确诊特殊染色院外会诊数字化扫描数字建档图文报告切片建档数字化过程非数字化过程以分钟计时以小时或天计时注释现有技术与光子像衬显微CT对比8对比项目传统病理科光学显微镜方法光子相衬显微CT工作流程长：按天计算繁琐：制片过程繁且有危害短：按分钟计算快捷：省略制片过程，提高效率分辨率可见光波长比X射线长，分辨率低、毫米级别（2-200um）。X射线波长更短，分辨率高，纳米级别（50-500nm）。

6、标本完整性标本经过机械切片，不可恢复，不可重复使用。标本通过数字立体成像，三维成像后可任意角度切片可视化观察，标本保持完整无损，可重复使用。染色化学染料染色，主要有两种颜色数字染色，可多种颜色，并可观察到标本内部的物质染色情况。数字化间接数字化，二维图像，诊断完成后再数字化直接数字化，三维成像，体视观察或切片观察检测部位离体标本未来有希望检查活体再体部位，如乳腺、四肢、头颅等现有技术与光子像衬显微CT对比9通过光子相衬显微CT的扫描，以X线对软组织进行显微成像，为病理成像诊断提供了全新的手段和新一代的装备，是未来显微病理组织成像领域的的新一代技术其核心技术及关键部件还可以应用在人体扫描（如乳腺

7、、四肢、头颅等部位），取得比目前CT扫描更清晰的组织细胞结构图像，并且可以在早期获得病理诊断的结论。病理标本无损检测在体组织直接病理检查光子像衬显微CT的应用前景10本研究中光子相衬显微CT适用范围光学显微镜适用范围软X射线的波长在1-10纳米，空间分辨率要高于可见光显微镜200-1000倍，可以观察到细胞核内染色体结构。光子像衬显微CT空间分辨率更高目光子相衬显微CT技术平台特点 1. 具有能量分辨能力 2. 获得相位信息 3. 保持了密度分辨能力 4. 具有更高的空间分辨能力 5. 直接数字化高速采集和实时重建（形成独创的数字蜡块） 6. 标本可以重复利用（虚拟切片和虚拟染色）以往传统病理

8、学检查的劣势 1. 标本必须可以透过可见光 2. 标本需要染料染色 3. 目视诊断，图像非数字化 4. 标本不能重复染色和重新切片 光子像衬显微CT的技术优势数字蜡块概念（中国学者首先提出） 传统病理学需要将组织标本脱水后进行石蜡包埋，这种石蜡包埋的组织块称为组织蜡块。组织蜡块需要经过切片机将组织切成数微米的薄片，贴敷在载玻片上进行染色，之后供光学显微镜进行观察。 与传统的组织蜡块不同，本项目通过CT扫描将具有能量信息、密度吸收信息和相衬图像信息的多组二维图像重建成三维立体的数据块，这种数据块包含了组织结构的全部信息（包括密度、相位、能量），可以通过计算机虚拟现实方式进行断层观察，并采用数字调

9、色板进行数字染色。 我们将这种通过数字重建获得的数字体素块称为数字蜡块，它将逐步替代现在的组织蜡块。光子像衬显微CT的技术优势光子相衬显微CT可以解决传统X射线对软组织成像不佳的问题，实现对低密度软组织微米级别的高分辨率和高对比度三维清晰内部结构成像和数字染色，完全可以取代传统光学显微镜进行病理阅片观察诊断，而且不需要繁琐而有危害的标本制片过程，直接出具诊断报告。本项目第一步应用于离体的标本，未来技术进一步成熟后可以应用于人体活体检查，图像效果和信息量远大于目前的CT及MRI技术，最重要的意义在于将病理诊断金标准的获得时间提前。光子像衬显微CT的技术优势同步辐射相衬像轫致辐射吸收像同步辐射的单

10、色低能级的X射线穿过软组织后其相衬信号要强过吸收信号1000倍以上：同步辐射图像来自上海光源同步辐射实验平台光子像衬显微CT的技术核心中外重点同步辐射光源分布我国同步辐射光源主要有北京中科院高能所、上海光源、合肥中国科技大学、台湾新竹等几处。同步辐射光源是获得相衬图像和能量分级图像最好的光源，然而巨大的投资不可能将同步辐射光源转化成成熟商品。国内研发技术团队的最大贡献在于将同步辐射条件下实现的技术成功地在轫致辐射条件（商业X射线）下实现，使这一重大科学技术可以迅速转化成临床实用技术。中外重点同步辐射光源分布情况北京同步光源、纳米CT、相衬成像平台上海同步光源、微米CT、相衬成像平台国内研发团队

11、在同步辐射光源实验基地在轫致辐射下取得的相衬像轫致辐射吸收像本组图像来自国内的相衬成像平台采用轫致辐射重现了同步辐射条件下的相衬像国内像衬实验结果 二维成像轫致辐射相衬成像结果国内团队建设的成像平台已经实现细胞级成像。重现了200年前胡克在显微镜下看到的结果！相衬、吸收像数字HE染色将标本放入扫描管内将扫描管放到扫描平台后启动扫描过程 通过对数字蜡块的任意断面进行观察，即可达到显微切片的同等结果。通过不同的调色板进行染色，可以形成类似HE染色以及其它更丰富的染色效果 通过光子相衬显微CT的扫描，重建后的体数据即可构成数字蜡块。快速扫描可以在30分钟内完成蜡块重建，精确扫需要2小时完成蜡块重建。

12、计算机内存5分钟1分钟半小时5分钟数字蜡块的生成和观察方法光子相衬显微CT实验结果-数字蜡块病理切片实例数字蜡块本组图像来自国内相衬成像平台标本成像和三维重建虚拟切片21德国蔡司公司实现了商业销售（采用较高KV，用于高分子材料检测应用）采用日本滨淞微焦点射线源的500N纳米CT美国NASA纳米CT实验平台国外纳米CT研发应用状况国内团队与国外技术对比（1）国外设备多是基于能量积分的探测器。国内光子相衬显微CT的特点在于应用了面阵光子计数探测器，具有更好的时间分辨和能量分辨能力，可以实现低剂量快速成像，并可以通过能谱（原子量）调色板进行数字染色。（2）国外实验室实现相衬成像的条件：多是基于同步辐射光的显微CT相衬成像设备或光栅法。我们的设备是在同步辐射实验的基础上，通过微焦点X射线源和类同轴技术实现突破。厂家空间尺度信息相位信息能量信息密度吸收信息ZeissYesYesNoYesSCANCO Medical AGYesNoNoYesSkyScanYesNoNoYes国内团队YesYesYesYes光子计数探测器能量积分探测器入射剂量极低较高能量分辨良好较差采集速度较快较慢灵敏度很高较高本项目采用的光子计数探测器具有在极低剂量下获得足够信噪比的能力，并且在每次计数的同