劉靜小組提出液態(tài)金屬血管造影術(shù)可快速重建高清晰血管網(wǎng)絡(luò)
清華新聞網(wǎng)5月29日電 近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授帶領(lǐng)的研究小組，首次建立了一種全新原理的血管成像方法——室溫液態(tài)金屬血管造影術(shù)，部分研究成果在線發(fā)表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering（電氣與電子工程師學(xué)會(huì)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)匯刊）上，論文題為 Liquid Metal Angiography for Mega Contrast X-ray Visualization of Vascular Network in Reconstructing In-vitro Organ Anatomy（用于X射線重建離體器官高清晰血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬血管造影術(shù)）。文章的通訊作者為劉靜教授，共同第一作者為醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系2009級(jí)博士生王倩和2010級(jí)博士生于洋，參與研究的還有來(lái)自清華大學(xué)校醫(yī)院放射科潘克梫主任。
圖為基于液態(tài)金屬鎵(A)和碘海醇(B)的豬心臟冠狀動(dòng)脈造影效果對(duì)比。
血管網(wǎng)絡(luò)作為遍布全身的血液循環(huán)通道，其尺寸大小、分布和空間走向?qū)C(jī)體代謝、營(yíng)養(yǎng)和藥物的輸運(yùn)等至關(guān)重要，同時(shí)血管自身也面臨著諸多病變威脅，無(wú)論在健康檢查還是疾病診治中，血管的異常生長(zhǎng)與變化均是衡量病理狀況與疾病發(fā)生發(fā)展的重要指標(biāo)。為此，獲取高質(zhì)量的血管圖像對(duì)于病理學(xué)、解剖學(xué)研究具有十分重要的意義。早期，由于受技術(shù)限制，科研人員大多通過(guò)解剖、冷凍切片、染色、數(shù)字化重建等方法獲得血管分布信息，程序繁瑣復(fù)雜，且操作過(guò)程易于破壞血管結(jié)構(gòu)及走向，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際存在偏離。隨著影像學(xué)的發(fā)展，血管造影成為一種重要的成像方法，但無(wú)論是常用的碘化合物增敏劑還是當(dāng)前頗受關(guān)注的納米材料，其血管造影能力仍然有限，尤其對(duì)于一些復(fù)雜的微細(xì)血管，成像質(zhì)量尚不十分理想，這就使得對(duì)超高清晰度血管圖像的獲取長(zhǎng)期成為挑戰(zhàn)。
圖為液態(tài)金屬鎵灌注的豬腎動(dòng)脈造影重建圖像。
針對(duì)這一重大需求，劉靜小組基于實(shí)驗(yàn)室在液態(tài)金屬材料與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域的長(zhǎng)期研究積累，首次提出了一種有別于傳統(tǒng)的液態(tài)金屬血管造影方法。研究表明，以鎵為代表的一系列合金材料在室溫下呈液態(tài)，可在不破壞組織結(jié)構(gòu)的情況下灌注到血管網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)其自身?yè)碛械母呙芏葧?huì)對(duì)X射線造成很強(qiáng)的吸收作用，因而在X光拍攝或CT掃描中，充填有液態(tài)金屬的血管會(huì)與周圍組織形成鮮明對(duì)比，由此達(dá)到優(yōu)異的成像效果，而液態(tài)金屬的流動(dòng)性和順應(yīng)性甚至可以讓極細(xì)微的毛細(xì)血管也能在圖像中以高清晰度的方式顯現(xiàn)出來(lái)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將室溫液態(tài)金屬鎵分別灌注到離體豬心臟冠狀動(dòng)脈以及離體豬腎臟動(dòng)脈中時(shí)，重建出的血管網(wǎng)絡(luò)異常清晰，造影效果遠(yuǎn)超于臨床上常用的碘海醇增敏劑，圖像對(duì)比度呈數(shù)量級(jí)提升，揭示的血管細(xì)節(jié)更加豐富，且造影效果并不會(huì)像傳統(tǒng)增敏劑那樣隨時(shí)間逐步衰減。到目前為止，實(shí)驗(yàn)室已就離體動(dòng)物器官進(jìn)行了系列測(cè)試，而針對(duì)小鼠全身血管的重建工作也已啟動(dòng)，并初步獲得了對(duì)有關(guān)動(dòng)物生理學(xué)的新認(rèn)識(shí)。
實(shí)際上，數(shù)月前研究小組在將上述工作的初期成果公布于物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站（arXiv.org）時(shí)，很快就在國(guó)際上引起較大反響，相繼引起Medium、Gizmodo、Slashdot等科技網(wǎng)站和媒體的廣泛重視和傳播，紛紛以“第一張灌注液態(tài)金屬的心臟圖像”（First Images of a Heart Injected with Liquid Metal）等為題對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行了深度報(bào)道，認(rèn)為新技術(shù)提供了“前所未有的細(xì)節(jié)”（unprecedented detail）、“采用相對(duì)簡(jiǎn)單的方法解決了無(wú)比復(fù)雜的問(wèn)題”（taken a potentially wildly complicated problem and come up with a (relatively) simple solution）、“這一有望顯著提升器官3D影像的工作令人印象深刻”（That’s impressive work that has the potential to dramatically improve the 3D imaging of organs），并指出其進(jìn)一步發(fā)展將可能“顛覆我們對(duì)于自身的認(rèn)識(shí)”（revolutionize our understanding of our very own selves）；在國(guó)內(nèi)，上述研究作為前沿科技資訊也引起百度、科學(xué)網(wǎng)、光明網(wǎng)、中國(guó)網(wǎng)、鳳凰網(wǎng)、網(wǎng)易等門戶網(wǎng)站的重視，紛紛在其科技頻道欄目中對(duì)此進(jìn)行了翻譯和轉(zhuǎn)載。
迄今，這項(xiàng)原理獨(dú)特的血管成像方法已在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛討論，相應(yīng)技術(shù)為生理學(xué)、病理學(xué)研究提供了新的視野和高效工具，對(duì)了解動(dòng)物器官?gòu)?fù)雜的血管微細(xì)結(jié)構(gòu)尤有價(jià)值，比如研究腫瘤血管的生長(zhǎng)規(guī)律，以非破壞方式快速重建虛擬人或動(dòng)物的血管網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等。值得一提的是，這一方法并不僅限于血管重建，同樣的原理在其他科學(xué)或工程學(xué)中涉及到的微/納米管道三維重建過(guò)程中也有較好的應(yīng)用前景，在影像儀器分辨率足夠的前提下，可以獲得較高的成像精度，甚至達(dá)到納米量級(jí)。
十余年來(lái)，劉靜教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞室溫液態(tài)金屬完成了大量開(kāi)拓性研究，近年來(lái)更將液態(tài)金屬技術(shù)全面推進(jìn)到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，先后提出了一系列諸如植入式醫(yī)療電子在體3D打印技術(shù)（Jin, et al., Scientific Reports, vol.3, 2013）、液態(tài)金屬體表電路技術(shù)（Yu, et al., PLoS ONE, vol.8, 2013）、液態(tài)金屬人工肌肉（Liu, et al., Applied Physics Letters, vol.103, 2013）等全新方法。液態(tài)金屬血管造影術(shù)是實(shí)驗(yàn)室在腫瘤研究方面的一個(gè)開(kāi)端，通過(guò)對(duì)相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步提升，目前實(shí)驗(yàn)室利用液態(tài)金屬進(jìn)行了小動(dòng)物全身灌注、病變組織局部灌注等血管造影研究，可觀測(cè)到的血管最細(xì)直徑已達(dá)0.03mm。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞液態(tài)金屬血管灌注技術(shù)，在腫瘤診療一體化等課題上開(kāi)展研究。
論文鏈接：
Wang Q, Yu Y, Pan K, Liu J. Liquid Metal Angiography for Mega Contrast X-ray Visualization of Vascular Network in Reconstructing In-vitro Organ Anatomy. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2014.
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6798667
供稿：醫(yī)學(xué)院 學(xué)生編輯：小 西
