《npj Imaging》：3D imaging of the human temporal bone by X-ray phase-contrast tomography
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為探究人類耳蝸微結構，研究人員利用同步輻射 X 射線相襯斷層掃描（XPCT）及實驗室 μ-CT，對人類顳骨和耳蝸進行 3D 成像，結合染色等技術，清晰呈現結構，為人工耳蝸（CI）研發等提供關鍵數據，助力聽覺疾病研究。
聽覺是人類感知世界的重要途徑，然而全球約 5% 人口受致殘性聽力損失困擾。深入理解內耳微解剖結構對解析感音神經性耳聾機制、研發人工耳蝸（Cochlear Implants, CIs）等聽覺修復技術至關重要。人類耳蝸深藏于顳骨內，其精細復雜的三維結構宛如精密儀器，傳統二維成像技術如組織學切片和透射電鏡雖能提供高分辨率細節，卻面臨切片偽影、染色偏差及大范圍覆蓋困難等挑戰；光片熒光顯微鏡（LSFM）雖可實現三維成像，但組織透明化過程耗時且易導致組織收縮變形；磁共振成像（MRI）雖無損卻難以分辨細胞結構。在此背景下，兼具無損特性與多尺度分辨率的 X 射線相襯斷層掃描（X-ray Phase-Contrast Tomography, XPCT）技術成為破局關鍵。
德國哥廷根大學（University of G?ttingen）等機構的研究人員在《npj Imaging》發表研究，針對人類死后顳骨及離體耳蝸，綜合運用高亮度同步輻射光源（如歐洲同步輻射設施 ESRF 的 BM18 光束線、PETRA III 的 GINIX 儀器）及實驗室 μ-CT，結合不同樣本制備技術（如滲透壓四氧化鋨（Osmium Tetroxide, OTO）染色、乙醇脫水、脫鈣處理等），實現了對耳蝸及顳骨的高分辨率三維成像，并探索了其在人工耳蝸技術研發中的應用潛力。
研究主要采用以下關鍵技術方法：
- 同步輻射 XPCT：利用 ESRF 的 BM18 光束線（高能量多色光束，有效能量 50-280 keV）和 GINIX 儀器（單色光束，20 keV），通過調節傳播距離、放大倍數等參數，實現不同視野和分辨率的三維掃描，分辨率可達亞微米級（如 GINIX 的 650 nm）。
- 實驗室 μ-CT：使用 EasyTOM 儀器，搭配微焦點源和平面探測器，通過優化曝光時間和放大倍數，對樣本進行補充掃描，分辨率約 7-30 μm。
- 樣本制備：包括 4% 多聚甲醛（PFA）固定、OTO 染色（增強神經組織對比度）、乙醇梯度脫水、乙二胺四乙酸（EDTA）脫鈣處理，以及瓊脂糖包埋固定以減少樣本移動和氣泡形成。
研究結果
人類顳骨及耳蝸的多模態成像
- 未染色顳骨（H09）：在 BM18 光束線以 6.2 μm 有效體素分辨率進行全景掃描，隨后對耳蝸區域進行 1.8 μm 分辨率的感興趣區掃描。結果顯示，顳骨內骨性結構（如耳蝸周圍骨質）清晰可辨，但柯蒂氏器（Organ of Corti, OoC）等軟組織結構對比度低，需結合染色或脫鈣技術增強顯示。
- 植入光學人工耳蝸（oCI）的顳骨（H11）：同步輻射與 μ-CT 聯合掃描顯示，oCI 植入后在耳蝸基底轉的位置清晰可見，雖存在輕微光束硬化偽影，但高對比度的同步輻射數據可快速實現結構分割，清晰呈現聽小骨（錘骨、砧骨、鐙骨）及植入物的三維位置關系。
- OTO 染色耳蝸（H02）：OTO 染色顯著增強富含脂質的神經組織對比度，同步輻射掃描（2.3 μm 分辨率）清晰顯示蝸軸內神經干及柯蒂氏器神經支配，μ-CT 數據雖分辨率較低但仍可分辨耳蝸三維形態。值得注意的是，同步輻射掃描中觀察到 Reissner 膜破裂，推測可能與樣本處理過程中氣泡形成相關。
- 脫鈣耳蝸（H01）：經 EDTA 脫鈣后，在 BM18 以 1.8 μm 分辨率掃描，耳蝸內隔膜（如前庭膜、基底膜）等軟組織結構顯示更清晰；進一步在 GINIX 儀器以 650 nm 分辨率掃描，可識別柯蒂氏器等細胞結構，為細胞級顯微解剖提供可能。
研究結論與討論
本研究通過同步輻射 XPCT 與實驗室 μ-CT 的協同應用，成功實現了人類顳骨及耳蝸的多尺度三維成像，揭示了不同樣本處理技術（染色、脫鈣）對結構可視化的影響。同步輻射光源憑借高亮度和相干性，在整體器官尺度提供亞微米級分辨率，而實驗室 μ-CT 以其便捷性在臨床前研究中展現實用價值。OTO 染色和脫鈣處理分別為神經組織和軟組織結構的成像提供了有效解決方案，為后續聽覺病理研究（如耳硬化癥骨密度量化、植入后新骨形成分析）及人工耳蝸優化奠定了基礎。
研究數據公開共享（GRO.data 及 ESRF 數據庫），為開發三維圖像處理工具（如機器學習算法）、建立聽覺系統力學模型及推動轉化醫學研究提供了重要基準。未來，隨著 BM18 光束線斬波器等設備的升級，有望進一步降低光子能量、提升軟組織結構對比度，實現 hair cells、螺旋神經節神經元等精細結構的精準定位與計數，為聽力損失機制解析和個性化治療開辟新路徑。該研究不僅突破了傳統成像技術的瓶頸，更構建了從宏觀器官到微觀細胞的跨尺度研究橋梁，在聽覺醫學、生物力學及醫療器械研發領域具有里程碑意義。
