液态金属CT造影效应及高清晰血管网络成像技术

血管网络作为遍布全身的血液循环通道，其尺寸大小、空间分布及走向等对机体代谢、营养和药物的输运至关重要，同时血管自身也面临着诸多病变威胁，无论在健康检测还是疾病诊治中，细微血管的异常生长与变化均是衡量病理状况与疾病发生发展的重要指标。为此，获取高质量的血管图像具有十分重要的医学和生理学意义。早期，由于技术限制，研究人员大多通过解剖、冷冻切片、染色、数字化重建等方法获得血管分布信息，程序繁琐复杂，且操作过程易于破坏血管结构及走向，导致结果与实际存在偏离。随着影像学的发展，血管造影成为一种重要的成像方法，但无论是常用的碘化合物增敏剂还是当前颇受关注的纳米材料，其血管造影能力仍然有限，尤其对于一些复杂的微细血管，成像质量尚不十分理想，这使得超高清晰度血管图像的获取长期成为挑战。

针对这一关键需求，Wang等［2］基于在液态金属材料与生物医学工程学两个领域的长期研究积累，引入并证实了有别于传统的液态金属血管造影方法的高效性。研究表明，以镓为代表的一系列合金材料在常温下呈液态，可在不破坏组织结构的情况下灌注到血管网络中，同时其自身拥有的高密度会对X射线造成很强的吸收作用，因而在X光拍摄或CT扫描中，充填有液态金属的血管会与周围组织形成鲜明对比，由此达到优异的成像效果，而液态金属的流动性和顺应性甚至可以让极细微的毛细血管也能在图像中以高清晰度的方式显现出来。实验发现［2］，将常温液态金属镓分别灌注到离体猪的心脏冠状动脉（图15.1）和肾脏动脉（图15.2）中时，重建出的血管网络异常清晰，造影效果远优于临床上常用的碘海醇增敏剂，图像对比度呈数量级提升，揭示的血管细节更加丰富，且造影效果不会如传统增敏剂那样随时间逐步衰减。

图15.1　液态金属镓造影剂［2］（a）与传统碘海醇造影剂（b）的猪心脏冠状动脉毛细管成像情况对比及灰度差（c）

图15.2　灌注有液态金属镓的猪肾动脉造影重建图像［2］

a.猪肾动脉图像，分辨率0.078 mm/pixel；b.图a局部的更高分辨率图像，分辨率0.013 mm/pixel；c.图b局部的放大图；d.各个视角的肾动脉液态金属造影重建图像。

在猪的心脏成像体外实验中，与传统造影剂碘试剂相比，液态金属造影可以达到更强的对比度，并且能够分辨宽度为0.1 mm的小血管，也就是说，在液态金属造影的情况下，毛细血管得以足够清晰地显现出来。图15.3即为液态金属造影与传统碘试剂造影结果的对比［2］，左图为液态金属造影剂造影，右图为传统碘试剂造影效果。可见，液态金属血管造影的优势是极为显著的。以往，在国际上投入大量精力推进的旨在获取人体精细解剖结构的虚拟人研究中，此类血管重建工作往往需要大量繁琐复杂的程序，如组织冷冻、血管图片获取、计算机重建等环节，费用和时间成本极大，且破坏性较大，而注射式液态金属血管造影较好解决了相关问题，因此我们也将其称为血管软重建方法。

液态金属造影，整体图像会随着X射线能量增高而对比度增强，但局部结果的对比度会随着能量增加而降低（图15.3）。这可能是因为整个图像的主要部分是不同厚度的软组织，X射线能量越高，就更容易穿透，因此所有部分灰度都类似；而局部区域部分，有液态金属的部分有更高的穿透率，更高能量的X射线就会增加血管与组织部分的灰度差，对比度就更强。

为了更清楚看到液态金属在血管造影中的贡献，Wang等［2］还进行了猪肾脏的液态金属血管造影实验。结果表明，对于肾脏血管的成像，液态金属可以让X光图像看到最细0.1 mm直径的血管。除了用于平面造影，借助液态金属X光图像的3D血管重建也得到了很好的结果，图15.4即为肾脏血管结构的3D重建图像［2］。(www.xing528.com)

图15.3　液态金属血管造影的优化及血管重建［2］

a.80 kV下的心脏图像；b.100 kV下的心脏图像；c.120 kV下的心脏图像；d.图a、图b、图c中标记部位的对比；e.液态金属血管造影的优化。

在医学影像中，造影剂在很多情况下都是必不可少的辅助制剂，它可以有效增强影像观察效果，增加对比度。X射线的常用造影剂为碘制剂、硫酸钡等。这些造影剂虽然能大大提高图像对比度，但对一些细小血管，造影剂还无法将其清晰显现。Wang等［2］首次引入常温液态金属作为X射线图像的造影剂，尤其是镓基合金液态金属，在体外实验中取得了良好的效果。研究人员还就离体动物器官进行了多种测试，获得了丰富的数据，而针对小鼠全身血管的重建工作则促成了对有关动物生理学的深入认识。

图15.4　液态金属造影肾脏血管的3D重建情形［2］（a，b）及小鼠全身血管造影（c）

液态金属高清晰血管造影术，为生理学、病理学研究提供了一种软成像工具，对于探索有关动物器官的复杂血管微细结构尤有价值，比如研究肿瘤血管的生长规律，以非破坏方式快速重建虚拟人或动物的血管网络数据，以及评估由于外伤导致的体内血管破裂及出血状况等。值得一提的是，这一基础方法并不仅限于血管成像，同样的原理在其他科学或工程学涉及的微/纳米管道三维重建过程中也有较好的应用前景，在影像仪器分辨率足够的前提下，可以获得较高的成像精度，甚至达到纳米量级。

2013年11月，该研究小组在将上述工作的有关成果公布于物理学预印本网站arXiv时，很快就在国际上引起较大反响，相继为Medium、Gizmodo、Slashdot等科技网站重视并广泛评介，纷纷以“第一张灌注液态金属的心脏图像”等为题对这一工作进行了深度报道，认为新技术提供了“前所未有的细节”，“采用相对简单的方法解决了无比复杂的问题”，“这一有望显著提升器官3D成像的工作令人印象深刻”，并指出其进一步发展将可能“革新我们对于自身的认识”。在国内，上述研究作为前沿科技资讯也为大量门户网站所重视，纷纷在其科技频道栏目中对此进行了翻译和转载。迄今，这项原理独特的血管成像方法为国内外广泛讨论，相应技术为生理学、病理学研究提供了一种软成像工具，对于探索有关动物器官的复杂血管微细结构尤有价值。

总的说来，液态金属的造影特性是独特而显著的，在血管结构的可视化方面有着非凡的意义，对以后的CT诊断、3D血管快速重建起到重要支撑作用。此类特性也可作为辐射防护［3］。