综述：X射线相衬成像在保乳手术及其他领域术中标本成像的应用

　　本文系统综述了X射线相衬成像（XPCI）技术在术中标本成像领域的最新进展，重点探讨了其在解决保乳手术切缘阳性率高、二次手术率高等临床难题中的应用潜力。文章详细比较了传播基（PB）、 Talbot-Lau干涉法（TLI）和边缘照明（EI）等XPCI技术路径的优劣，指出基于实验室光源的EI-XPCI微CT（micro-CT）凭借高软组织灵敏度、全三维成像能力和≤15分钟扫描时间等优势，最具临床转化前景。

　　

术中成像的临床挑战与技术需求

当前癌症手术平台存在精确性不足的固有局限，直接导致高比例的不完全切除和二次手术干预。保乳手术是典型代表，其术中切缘受累情况判定极具挑战性，使得各国平均阳性切缘率居高不下，患者常需再次手术。二次手术不仅增加患者身心负担、影响美容效果和生活质量，也显著推高了医疗成本，其发生率中位数和峰值分别接近20%和40%。实现术中实时组织成像与表征，为手术团队提供即时反馈，指导必要区域的补充切除，是降低再手术率的关键。

当前英国标准实践是采用标本放射成像系统对切除组织（广泛局部切除术，WLE）进行成像，但该技术存在两大局限：一是传统X射线软组织灵敏度低；二是其二维投影特性使得垂直于成像轴的切缘被遮挡，难以评估。为克服这些限制，多种技术被探索，包括拉曼光谱、光学相干断层扫描（OCT）、射频与光学切片显微镜等方法。然而，这些技术大多只能对标本特定点位进行探测，存在视野有限、需要复杂图像拼接、或受组织界面伪影影响等问题。OCT虽能照射整个标本表面，但其有效成像深度仅约2 mm，且报道的灵敏度差异巨大（近期数据显示约69%）。基于射频和生物阻抗光谱的方法特异性较低，近期英国试验显示其未能降低再手术率。其他新兴技术如切伦科夫辐射探测需给患者注射放射性核素，手术刀耦合质谱法仍处于评估阶段且无法检测近切缘。细胞病理学方法（如冰冻切片、印片细胞学）虽准确但耗时、昂贵且劳动密集，目前英国已无机构常规使用。

在此复杂背景下，X射线微CT展现出穿透力强、分辨率高，尤其是能对 entire 标本进行全三维可视化等理想特性，在对比度合适时，可追踪从主肿瘤体突出的 strands 以确认其是否抵达切缘。研究表明其准确性可比肩甚至优于其他方法。然而，传统微CT的核心限制在于软组织灵敏度低，这导致其灵敏度常仅约50%或略高。X射线相衬成像（XPCI）技术被反复证实能克服传统X射线的软组织灵敏度限制，同时保持分辨率、穿透力和全三维可视化能力，为其在术中乳腺成像及其他外科应用提供了有价值的解决方案。

X射线相衬成像（XPCI）的技术演进

XPCI技术自60年代中期开创性实验以来，在90年代因第三代同步辐射光源的出现而广泛传播，其巨大医学成像潜力迅速被认可。最早的医学应用目标之一是乳腺X射线摄影，各种XPCI方法立即展现出远超临床实践的图像质量。首项人类患者临床研究即在同步辐射光源上利用最简单的XPCI方法——传播基（PB）XPCI完成，该方法无需任何光学元件，但要求“空间相干”（即小而远）的焦点。

依赖同步辐射等大型昂贵设施严重限制了XPCI的推广。转机出现在00年代中期，诸如Talbot-Lau干涉法（TLI）和边缘照明（EI）等技术的出现，使得利用传统光源实现XPCI成为可能。随后，液态金属射流（LMJ）阳极等新型光源技术的发展，提供了更高通量的小焦点，从而允许PB XPCI等在更紧凑的装置中实现，同时也使其他源自同步辐射的技术（如散斑成像）得以在实验室尺度部署。使用吸收型随机调制器的近期研究可能进一步放宽空间相干性要求，最终实现与非微焦点X射线光源的兼容。这些新方法的开发为在标准实验室内对组织标本进行成像铺平了道路，为数字病理学以及近年来的术中成像开辟了前景。

XPCI在术中成像中的应用实践

将XPCI用于组织标本成像（如“数字病理学”）的兴趣始于同步辐射光源，其能提供卓越的图像质量。成功尝试利用TLI在实验室光源上获得了至少可比拟的图像质量。然而，这些研究面临的核心问题是采集时间过长（从7小时到90小时不等），使其无法应用于术中成像。TLI需要在每个CT角度投影进行称为“相移步进”的程序，这既按步进数量比例延长采集时间，也增加了电机运动相关的死区时间，并强制采用步进-拍摄采集模式而非可消除死区时间的“飞扫”模式。

实现与术中成像兼容的采集速度的突破，来自Diemoz等人将Paganin的“单次曝光”相位检索算法应用于EI。该算法基于均匀物体中相位与衰减成比例的假设，从单次PB XPCI图像中检索相位。这对于除钙化外近乎均匀的乳腺组织是合理假设。钙化仍清晰可见，尽管定量检索不精确。金属夹等异物需按既定策略处理。EI中相对较大的掩模周期允许在无样本时获取完美平坦场，这使得Paganin方法能直接平移，实现对单次投影进行有效相位检索，从而支持连续样品旋转的飞扫采集。基于此，Diemoz等人使用传统旋转阳极X射线源实现了3分钟的相位检索微CT扫描，推动了针对乳腺组织标本的术中成像研究。

Massimi等人的研究扫描了100多例离体福尔马林固定乳腺组织标本，约半数含癌。所有标本均经过常规标本放射成像和组织病理学评估。放射科医生对XPCI和常规放射图像进行盲法评分，以组织病理学为金标准。结果显示两者特异性相当（XPCI为83%，常规为86%），但XPCI的灵敏度显著提高了260%（XPCI为83%，常规为32%）。考虑到灵敏度是微CT成为术中成像首选方法需克服的最后障碍，这一结果极具前景。该研究的第二部分证实该方法可无缝集成至临床工作流，使用视场为9×9 cm²的扫描仪对完整的新鲜WLE进行扫描，15分钟扫描可获得满足需求的图像质量，而分析表明7.5分钟扫描也能达到相当质量。图像重建作为可并行化过程，其时间可忽略不计。

将Paganin算法应用于其原本为之设计的PB XPCI是另一种加速选择。但PB XPCI需要空间相干光源，即微焦点源，其低功率导致低通量和长采集时间。例如，一款广泛使用的微焦点源功率仅为10 W，比Massimi研究中使用的1.2 kW源低120倍。LMJ光源技术的发展提供了新机遇。Twengstr?m等人的研究使用PB XPCI和LMJ光源靶向术中成像问题，在固定组织上显示了胰腺神经内分泌肿瘤的出色切缘勾勒，以及肝内胆管癌的可见切缘。尽管源功率为100 W（经EI掩模吸收损耗后，与Massimi研究中的有效功率可比），但扫描仍需1.5至3小时，可能源于更小像素尺寸、更长源-探测器距离以及缺乏17.5 keV发射线等因素，但其图像具有更高分辨率。

后续EI XPCI研究包括通过步进样品或掩模以实现约12微米的高分辨率成像，能可视化30微米厚的肿瘤 strands 和化疗引起的组织反应，但代价是扫描时间延长至数小时。这种步进是为提高空间分辨率，而非相位检索所必需，同一台机器可通过不同采集方案实现不同用途。Partridge等人将EI XPCI微CT应用于食管切除术中的人食管成像，通过乙醇浸泡部分置换水来改善对比度，实现了食管层的精细勾勒和肿瘤T分期，但标本准备时间目前仍长于术中允许时限。

结论与展望

多种基于传统光源的XPCI微CT实施方案在数字病理学中展现出巨大潜力，其中EI和基于LMJ的PB XPCI在术中成像领域最具前景。Massimi等人研究表明，（像素分辨率）EI XPCI微CT将切缘癌检出的灵敏度相比当前英国标准实践（标本放射成像）提高了2.6倍，且能在临床工作流兼容的时间框架内对完整的新鲜WLE成像。临床转化需开展进一步针对新鲜WLE的临床试验以确认对不同癌种的灵敏度和特异性，并进行多中心前瞻性随机研究以证实其临床与成本效益。技术挑战在于如何在医院嘈杂振动环境中维持EI所用两掩模的亚微米级对齐，已有基于自动对准的缓解方法。单掩模简化方案亦是选项。

基于LMJ的PB XPCI能提供更高分辨率的优异图像质量，未来需通过使用更高功率且不牺牲对比度的LMJ源、或更好的探测器技术来加快采集速度。若实现足够小型化，激光光源未来可能成为选项。通过“环摆线CT”等方法有望实现同时兼具高分辨率和飞扫采集。成本是任何卫生经济学评估的重要素。EI掩模当前成本约1-2万美元，但多为定制生产的一次性费用，批量生产后预计大幅降低，对整机成本影响相对较小。LMJ源当前成本高于标准源，但随着技术进步也可能下降。