刘静小组提出液态金属血管造影术可快速重建高清晰血管网络

  清华新闻网5月29日电 近日,清华大学医学院生物医学工程系刘静教授带领的研究小组,首次建立了一种全新原理的血管成像方法——室温液态金属血管造影术,部分研究成果在线发表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering(电气与电子工程师学会生物医学工程学汇刊)上,论文题为 Liquid Metal Angiography for Mega Contrast X-ray Visualization of Vascular Network in Reconstructing In-vitro Organ Anatomy(用于X射线重建离体器官高清晰血管网络结构的液态金属血管造影术)。文章的通讯作者为刘静教授,共同第一作者为医学院生物医学工程系2009级博士生王倩和2010级博士生于洋,参与研究的还有来自清华大学校医院放射科潘克梫主任。

图为基于液态金属镓(A)和碘海醇(B)的猪心脏冠状动脉造影效果对比。

  血管网络作为遍布全身的血液循环通道,其尺寸大小、分布和空间走向对机体代谢、营养和药物的输运等至关重要,同时血管自身也面临着诸多病变威胁,无论在健康检查还是疾病诊治中,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对于病理学、解剖学研究具有十分重要的意义。早期,由于受技术限制,科研人员大多通过解剖、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,这就使得对超高清晰度血管图像的获取长期成为挑战。

图为液态金属镓灌注的猪肾动脉造影重建图像。

  针对这一重大需求,刘静小组基于实验室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,首次提出了一种有别于传统的液态金属血管造影方法。研究表明,以镓为代表的一系列合金材料在室温下呈液态,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,当将室温液态金属镓分别灌注到离体猪心脏冠状动脉以及离体猪肾脏动脉中时,重建出的血管网络异常清晰,造影效果远超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,且造影效果并不会像传统增敏剂那样随时间逐步衰减。到目前为止,实验室已就离体动物器官进行了系列测试,而针对小鼠全身血管的重建工作也已启动,并初步获得了对有关动物生理学的新认识。

  实际上,数月前研究小组在将上述工作的初期成果公布于物理学预印本网站(arXiv.org)时,很快就在国际上引起较大反响,相继引起Medium、Gizmodo、Slashdot等科技网站和媒体的广泛重视和传播,纷纷以“第一张灌注液态金属的心脏图像”(First Images of a Heart Injected with Liquid Metal)等为题对此项工作进行了深度报道,认为新技术提供了“前所未有的细节”(unprecedented detail)、“采用相对简单的方法解决了无比复杂的问题”(taken a potentially wildly complicated problem and come up with a (relatively) simple solution)、“这一有望显著提升器官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),并指出其进一步发展将可能“颠覆我们对于自身的认识”(revolutionize our understanding of our very own selves);在国内,上述研究作为前沿科技资讯也引起百度、科学网、光明网、中国网、凤凰网、网易等门户网站的重视,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已在国内外引起了广泛讨论,相应技术为生理学、病理学研究提供了新的视野和高效工具,对了解动物器官复杂的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等。值得一提的是,这一方法并不仅限于血管重建,同样的原理在其他科学或工程学中涉及到的微/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。

  十余年来,刘静教授带领团队围绕室温液态金属完成了大量开拓性研究,近年来更将液态金属技术全面推进到生物医学领域,先后提出了一系列诸如植入式医疗电子在体3D打印技术(Jin, et al., Scientific Reports, vol.3, 2013)、液态金属体表电路技术(Yu, et al., PLoS ONE, vol.8, 2013)、液态金属人工肌肉(Liu, et al., Applied Physics Letters, vol.103, 2013)等全新方法。液态金属血管造影术是实验室在肿瘤研究方面的一个开端,通过对相应技术的进一步提升,目前实验室利用液态金属进行了小动物全身灌注、病变组织局部灌注等血管造影研究,可观测到的血管最细直径已达0.03mm。在此基础上,团队将继续围绕液态金属血管灌注技术,在肿瘤诊疗一体化等课题上开展研究。

   论文链接:

  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:医学院 学生编辑:小 西

2014年05月29日 11:13:56  清华新闻网

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