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0431-81702023
光學工程
上海光源 犡 射線成像及其應用研究進展

摘要 作為具有國際先進水平的第三代同步輻射光源,上海光源的 X射線亮度比普通 X光管高12~16個量級,基于它的 X射線成像具有高空間分辨、高襯度分辨和快時間分辨的特點,同步輻射 X 射線可對樣品實現原位、無損、高分辨、三維和動態成像,而且可以實現相位襯度成像,從而將 X 射線成像的應用領域拓展到軟組織、聚合物等低犣材料。自2009年正式向用戶開放以來,上海光源已在生物醫學、材料科學、古生物學、土壤學等領域取得了一大批重要研究成果。為更好地支持用戶,上海光源 X射線成像組在定量成像、CT 成像、快速 CT 重構等成像方法學領域開展了較為全面、系統的研究,大幅提高了實驗效率和對不同樣品的適應性。本文簡要介紹了上海光源 X 射線成像方法學發展及相關應用研究進展。

關鍵詞 X射線光學;X射線成像;同步輻射

1 引 言

      1895年11月8日,德國著名物理學家威廉·康拉德·倫琴在進行陰極射線的實驗時,觀察到放在射線管附近涂有氰亞鉑酸鋇的屏上發出的微光,即為現在廣為人知的 X 射線或倫琴射線[1]。X 射線被發現后,首先被用到醫學診斷上,第二年就提出了用于治療的設想。由于 X 射線的波長比可見光短得多,利用它成像可以達到的理論分辨率要比可見光高幾個量級;另外,X 射線具有很強的穿透性,可以對非透明的厚樣品內部結構進行無損成像,這在醫療診斷等無損檢測領域有很好的應用。X射線醫療影像技術以及其他相關 X 射線成像技術迅速地發展起來,已成為醫學、生物學及材料科學中不可或缺的診斷工具[2-3]。

      近年來,隨著第三代同步輻射(SR)光源的廣泛使用,X射線光源的特性得到了極大的改善[4],這不僅使傳統的成像方法得到了顯著改善,而且為新的X射線成像方法的誕生創造了條件。SR 豐富了 X射線成像的襯度機制,除傳統的吸收襯度外,還有相位襯度、化學襯度、元素襯度、磁二色襯度等,大幅拓展了 X射線成像的應用領域,如生物醫學、考古、地球物理、納米科學和電子工業等。基于相位襯度的相襯成像方法主要有干涉法[5]、衍射增強法[6]、光柵微分法[7]和同軸法[8],他們測定的信息分別為相位、相位一階微分、相位一階微分和相位二階微分(拉普拉斯變化)。對于弱吸收樣品,相襯成像方法能獲得比傳統吸收成像高很多的襯度,而且基于相襯成像方 法 的 定 量 信 息 提 取 技 術 也 得 到 了 廣 泛 的 研究[9-11]。第三代同步輻射的高亮度和高相干性,使得動態研究成為可能,如2003年 Science第一次報道了昆蟲的呼吸全過程[12],時 間 分 辨 可 達 幾 個 毫秒。另一個重要成像手段顯微斷層成像(μCT)也得到飛速的發展,三維空間分辨率可達微米乃至納米量級。SRμCT 由于同步輻射光源具有高單色性,能消除普通 X光管 CT 的射線硬化效應,更精確地定量重建出樣品的線性吸收系數;同時能在高分辨率下實現高速數據采集等。第三代同步輻射的插入件輻射是目前SRμCT 的理想光源,單色 X 射線的使用還有助于消除贗像,同時減小樣品的輻射劑量,這對生物醫學樣品研究顯得尤為重要。SRμCT 現已成為中能或高能第三代同步輻射裝置上的重點發展技術,近些年高時間分辨的 SRμCT 也得到了廣泛的關注。X射線成像已成為同步輻射領域的一項主流技術,國際上如 APS、Spring8、ESRF、SLS和國內的北京光源、合肥同步輻射和上海光源等同步輻射裝置都建有專門用于 X射線成像的線站。

      上海同步輻射裝置(簡稱上海光源:SSRF)是一臺第三代中能同步輻射裝置,它是迄今為止我國最大的大科學裝置,在科學界和工業界有著廣泛的應用 價 值。X 射 線 成 像 與 生 物 醫 學 應 用 線 站(BL13W1)是上海光源首批建造的7條光束線站之一。該線站于2009年5月6號建成并向用戶開放。截至 2012 年 底,BL13W1 已 經 向 用 戶 提 供 超 過13900h的實驗機時,執行了470份實驗申請,用戶實驗超過2000人次,在國內外學術刊物上發表論文110多篇。線站基于原位動態成像和顯微 CT 等成像手段,已在生物醫學、材料、古生物、考古、土壤等眾多研究領域取得了顯著成果。動態成像方面,利用微米分辨 X 射線動態成像研究動物腦血管灌注情況,解決了 Netrin1基因治療腦缺血時基因功能性難題[13];利用 X 射線的強穿透性和相位襯度,實現了合金凝固過程中枝晶生長過程的動態觀測,解決了以 往 工 藝 條 件 改 變 研 究 合 金 性 能 的 黑 箱 問題[14-16]。顯微 CT 應用方面,腫瘤三維定量成像信息為 TIEG1基因抑制微米級腫瘤新生血管的形成提供了直接依據[17];可原位研究多孔磷酸鈣/鎂等生物醫學工程材料對骨缺損修復的促進作用及其自身的可降解性[18-19];利用相襯顯微 CT 驗證了皮膚膠原蛋白模板的假說[20]。結合動態成像和顯微 CT技術,實現了微波陶瓷燒結過程的動態觀測[21]。在古生物領域,同步輻射 X 射線相襯顯微 CT 解決了透射電鏡只能觀測化石表面信息的不足,實現了古生物胚胎、早期節肢動物等內部三維結構的亞微米分辨成像[22]。此外,在土壤孔隙的三維團聚結構,頁巖氣(油)顯微結構定量分析,發動機燃油噴霧動態成像等方面也取得了重要研究成果[23-25]。

      為滿足不同學科領域用戶研究的需求,上海光源 X射線成像組在 X 射線成像方法學研究方面進行了持續的研究和探索,在 X 射線定量成像、顯微CT 成像、CT 快速重構、三維 CT 數據定量分析等方面取得了一系列的成果。本文將從成像方法學及相關應用兩個方面,介紹上海光源 X 射線成像組的最新研究進展。

2 方法學研究

      上海光源 X射線成像組開展了多種 X 射線成像方法學研究,主要有同軸相位襯度成像(ILPCI)相位恢復研究[26-33]、X 射線熒光 CT[34-35]、相干 X射線衍射成像[36-37]、X 射線螺旋顯微 CT[38]、X 射線 K 邊 減 影 成 像[39] 和 CT 快 速 重 建 軟 件 開發[40-41]。

2.1 同軸相位襯度成像相位恢復研究

      ILPCI利用 X 射線透過樣品的相位信息對樣品成像,該方法具有裝置簡單(如圖1所示)、對光源相干 性 要 求 低、成 像 直 觀 且 分 辨 率 高 等 優 點[42]。ILPCI方法特別適合對生物軟組織、高分子聚合材料等低犣 樣品成像,自問世以來得到了快速發展,尤其在生物醫學、材料科學、環境科學、植物學、考古學等諸多領域都有廣闊的發展空間[43]。ILPCI雖然是利用樣品的相位信息成像,但如不經過相位恢復技術,ILPCI得到的是樣品的邊緣增強圖像,只能用于定性研究[42]。相位恢復能從ILPCI采集到的圖像重構出樣品相位信息并用于定量研究,受到研究人員的廣泛關注[9-11]。ILPCI結合 CT 技術,即 X射線同軸相位襯度 CT[44](ILPCT),能夠獲得生物軟組織、聚合物、纖維混合物等低 犣 樣品的內部微細結構,是一種無損的三維立體檢測方法。上海光源 X 射線成像組對ILPCI單距相位恢復算法和多距相位恢復算法都開展了相關研究。

2.1.1 基于單幅成像的相位恢復算法

       一般來說,相位恢復方法需要至少兩個不同物像距的ILPCT 投影數據[9-11],這樣增加了數據采集時間及處理難度,更重要的是增加了樣品所受到的輻射劑量。對于生物活體樣品,樣品所受的輻射劑量是直接影響實驗可行性的參數,輻射劑量越小對生物活體樣品實驗越有利。如果能采用單距ILPCT 數 據 進 行 相 位 恢 復,將 會 解 決 上 述 問題[28,45-48]。在單距相位恢復算法中,由 Bronnikov算法[49] 改 進 而 來 modified Bronnikovalgorithm(MBA)[45]算法簡單直接,結合拉東變換和濾波反投影原理,可以直接從單距ILPCT 數據中重建樣品的三維相位信息。但是,其吸收信息校正因子α計算是通過模擬和實驗相結合來確定的,即每換個樣品就要重新確定α,相對比較麻煩。由此,上海光源 X射線成像組將低犣 元素樣品具有的相位 吸收二重性(PAD)與 MBA 算法相結合,通過模擬和實驗相結合,提 出 了 一 個 簡 單 的 吸 收 信 息 校 正 因 子 α= 1 πελ狕[26],該因子同時考慮ILPCT 的波長λ、物像距狕和樣品相位 吸收二重性ε(ε=δ/β,δ為相位因子,β為 吸 收 因 子)的 影 響。相 位 吸 收 二 重 性MBA 算法(PADMBA)[26-27]即為采用吸收信息校正因子α的 MBA 算法。

     通過實驗數據驗證PADMBA算法,樣品為多聚物混合樣品,由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)棒材(直徑 Φ ≈1mm,長 度犔=2 mm)、交 聯 聚 苯 乙 烯(polystyrene)棒材(Φ≈1.6mm)和尼龍(nylon)棒材(Φ≈1.6 mm)組 成。實 驗 參 數 為:光 子 能 量 為18keV,成像距離為0.2m,CCD 探測器有效像素尺寸為3.7μm。圖2為多聚物棒材混合樣品采用PADMBA 算法的重構切片及其直方圖,從圖中可以很清楚地看到三個樣品以及背景的各自分布峰,其分布情況與實際情況一致,峰值由小到大依次為交聯聚苯乙烯、尼龍和 PMMA 棒材。

2.1.2 基于兩幅圖像的相位恢復算法

       單距離相位恢復方法由于其算法穩定性高,實驗與數據處理快捷方便等優點已經在諸多領域得到廣泛應用[46-47,50],然而,當將它應用于如骨頭、血管等復雜且精度要求高的樣品時,就會表現出一定的局限性。相反,多距離相位恢復方法可以顯著提高相位恢復精度[51-52],但也相應地增大了樣品所受的輻射劑量以及算法復雜度和數據處理難度[53-54]。相比于這些方法,兩距離相位恢復是一種很好的折中方法,它不僅能適當提高定量恢復精度,而且可以有效減小數據處理時間和輻射劑量。然而,兩個成像距離狕1 和狕2 的優化選擇是決定兩距離相位恢復方法使用效率和恢復精度的關鍵因素。

      基于Born近似相位恢復算法[46],選用具有均勻組分和密度的尼龍纖維作為樣品,光子能量15keV,進行系統 地 模 擬 研 究 和 實 驗 研 究。實 驗 在 上 海 光 源BL13W1線站進行。通過引入均方根誤差(RMSE)[46]和頻譜相關度(SCD)[55]來分別衡量相位恢復精度和兩相襯像之間的頻譜相似性。在0~600cm之間以步長10cm采集多幅相襯像,然后從中選擇兩個距離進行相位恢復,根據RMSE和SCD指標總結出達到最高精度的兩距離優化選擇方法[30]。

      結果顯示,固定狕1 不變,在狕2 =3狕1 時 RMSE最小,精度最高,如圖 3 所 示,距 離狕1 分 別 為 50,100,120,150cm。此時兩幅相襯像的 SCD 存在極大值,并隨著距離狕2 的增大呈現出經典的阻尼振蕩變化,如圖4所示。除此之外,距離狕1 的選擇也會對恢復結果產生重要的影響。這從圖3和圖4也可以看出,不同狕1 時 RMSE 大小和 SCD 振蕩趨勢不同。當樣品尺寸、X 射線波長以及探測器分辨率等參數確定后,就可以確定一個最優化的距離狕1。這就說明,用于相位恢復的兩幅相襯像之間不僅要具有良好的頻譜相關性,而且要互補(頻域內互補以覆蓋更多的頻域成分)以獲取更高的相位恢復精度。兩距離相位恢復優化方法的 RMSE小于0.08,在輻射劑量和恢復精度兩方面取得很好的平衡。

2.2 X射線熒光 CT

       基于同步輻射的 X 射線熒光 CT(XFCT)是和透射 X射線 CT 互補的一種發射型 CT 成像技術,通過測量元素的特征 X 射線熒光,結合 X 射線 CT重建算法,重建非放射性元素(如銅、鐵等)在樣品內部的三維分布,具有高空間分辨和高靈敏度等特點,是一種無損的元素成像技術。國際上主要同步輻射裝置如 ESRF[56]、APS[57]、Spring8[58]、NSLS[59]等都建有 X射線熒光 CT 成像系統,目前該方法已應用 于 多 個 領 域 的 研 究,并 取 得 了 較 好 的 研 究 成果[57,59-60]。上海光源 BL13W1線站已在2009年建立 X 射 線 熒 光 CT 實 驗 裝 置,并 對 用 戶 開放[34-35,61]。圖5為上海光源 BL13W1線站 X 射線熒光 CT 裝置示意圖。

    目前 X射線熒光CT 最大的問題就是數據采集速度較慢,為了實現快速 XFCT 成像,本課題組從圖像重建角度尋找一種理想的 XFCT 成像算法,既具有高的圖像重建質量,又可以減少對投影數據量的 需 求。 受 單 光 子 發 射 計 算 機 斷 層 成 像 術(SPECT)重建算法相關研究結果的啟發,將有序子集期望值最大化(OSEM)算法應用到了 XFCT 重建中。OSEM 是正電子發射斷層成像術(PET)和SPECT 中常見的重建算法,它以統計理論為基礎,具有很高的重建精度,又可以在采樣數據不滿足奈奎斯特采樣條件時,給出比較理想的重建結果。以SD大鼠硬化肝為樣品,對其內部的 Zn元素分布進行了重建。實驗時入射單色光能量為12keV,樣品處光斑大小為100μm×500μm,單幅熒光譜獲取時間為3s。角度采樣間隔分別為2°和6°,掃描范圍為0°~180°,固定投影角下,平動數目為23次。Δθ=6°時的數據采集時間約為 Δθ=2°時的1/3。圖6給出了纖維化肝臟的透射 CT 圖像及Zn元素分布圖。結果表明,在相同投影條件時,OSEM 算法比濾波反投影重建(FBP)算法具有偽影小、不易發生模糊現象并且受樣品吸收效應影響小的優點。隨著角度采樣間隔 Δθ的增加,OSEM 算法的圖像質量下降比 FBP慢,因此,OSEM 算法是一種理想的 XFCT重建算法,它可以在保持較理想圖像重建精度的同時大大減少所需的投影數據量,有效地縮短了 XFCT 成像過程,有助于進一步實現快速 XFCT成像[61]。

2.3 相干 X射線衍射成像

        相干 X 射線衍射成像(CDI)[62]是一種新型衍射顯微術,它可以獲得非結晶樣品的高分辨率三維結構信息。CDI方法利用“過采樣”采集樣品的遠場相干衍射圖樣,結合相位重建迭代算法重建物空間樣品信息,能夠實現晶體或者非晶樣品的高分辨成像[63-66](目前最好的分辨率可達到5nm 左右[67]),而且可以獲得樣品內部的三維結構信息。CDI方法另外一個獨特優勢是可以得到樣品內部絕對電子密度信息,進而得到質量密度的三維分布[68]。 

      CDI的一個關鍵步驟是相位重建,而相位重建的收斂速度和精度受到若干因素的影響,比如過采樣比、邊界約束條件、信噪比等。利用混合輸入輸出算法(HIO)[69],通過對不同過采樣比情況下重建過程收斂曲線的分析,發現存在一個最有利于相位重建的過采樣比區域,如圖7(a)所示,從收斂速度上可以容 易 地 判 斷,最 佳 過 采 樣 比 區 域 在 3~7 之間[36],這為相干 X射線衍射成像實驗及后續重建中過采樣比的選擇提供了參考。實驗中往往會選擇較大的過采樣比,相位重建之前通過像素融合以提高衍射圖樣的信噪比,同時控制融合的程度將過采樣比調整到最優化區域,以獲得最快的收斂速度。

      對于衍射圖樣被大強度噪聲污染情況下的降噪與重建問題,包括對隨機噪聲、椒鹽噪聲以及混合噪聲的降噪及重建問題,通過模擬研究表明[37],利用傳統的降噪方法效果不佳甚至失效。通過研究不同噪聲的特點,改進了原有的降噪方法,找到了適合相干 X射線衍射成像對大強度噪聲降噪的有效方法。以隨機噪聲為例,如圖7(b)所示,傳統的降噪方法是直接減去暗場背景,但是由于噪聲的隨機性,直接減背景后部分像素點的誤差反而增大,最終導致相位重建失敗。而采用減去背景均值的方法,可以更有效地降低噪聲的影響,提高相位重建的精度。

      針對傳統 HIO 算法中靜態邊界約束條件會導致重建結果不完整及出現孿生像的問題,采用臨時邊界約束及動態邊界約束條件有效地避免了以上兩種問題的出現。另外采用邊界自動尋找算法避免了傳統 HIO 算法需要已知邊界條件的缺點,該算法不需要給定邊界約束條件,并且在迭代過程中可以實現物空間較“緊”邊界的自動尋找,加快相位重建的收斂速度并提高重建精度。如圖7(c)~(e)所示,迭代初始的邊界約束為物空間的自相關函數(頻域空間強度的逆傅里葉變換),隨著迭代次數的增加,邊界約束逐漸向物體的真實邊界收緊,最終得到較為精確的物空間邊界。

2.4 螺旋顯微 CT

      同步輻射 X射線是扁平光,上海同步輻射光源BL13W1實驗站 X 射線光斑寬度最大為45mm× 5mm,豎直尺寸遠小于水平尺寸。對于長度超出光斑豎直尺度的樣品,X 射線光束不能一次覆蓋整個樣品,通常需要采用 SRμCT 對長樣品逐層掃描并拼接實現三維成像,速度慢而且成像精度差。同步輻射 X射線螺旋顯微 CT(SRSμCT)將螺旋掃描引入到SRμCT 中,可有效地解決這一問題,實現連續快速容積掃描,縮短數據采集時間、減少輻射劑量和運動偽影,避免因探測器或樣品臺移動等造成的拼接不連續,實現長樣品的快速、三維、高分辨成像,大幅提高小動物等狹長樣品整體內部結構三維無損成像研究的能力。

      SRSμCT 實驗設備搭建,重建算法編寫,并通過理論模擬系統研究各實驗參數對成像質量和速度的影響,對選取合適的實驗參數有重要的指導意義。SRSμCT 實驗設備搭建如圖8所示,X 射線保持不動,樣品臺包括旋轉臺和升降臺。旋轉臺作勻速圓周運動,同時升降臺作勻速上升運動,實現 X 射線對樣品的螺旋掃描,CCD探測器在樣品后面連續采集投影數據。利用采集的螺旋 CT 投影數據,可重建切片及三維結構。SRSμCT 重建的主要思想是先將投影數據縱向重排得到每個切片正弦圖,再對不同的切片正弦圖進行相應的初始視角轉換,最后實施濾波反投影重建[70-71]。

       通過數值模擬不同螺距(樣品旋轉360°時樣品上升或下降距離同光斑豎直寬度的比值)、光斑豎直寬度和180°投影數的SRSμCT 實驗過程并重建,系統研究這些參數對成像質量、速度的影響。模擬結果表明,在螺距不大于2的前提下,180°投影數增大,誤差減小,CT成像速度變慢;光斑豎直寬度增大,速度加快;螺距增大,速度加快,且誤差在允許范圍內;選取合適的參數值使旋轉平移比為整數,誤差最小。

      SRSμCT 實驗中選取竹子作為樣品,選取光子能量21keV[72-73],樣品到探測器的距離為12cm,180°投影數為600。光斑豎直寬度為3.86mm。根據模擬結 果 優 化 實 驗 參 數,選 取 樣 品 上 升 速 度 為6mm/step,轉動角度步長為0.3°/step,對應的螺距為1.8657,掃描整個樣品一 共 采 集 2400 個 投 影。整個樣品螺旋掃描時間為4h,而對于同一樣品,普通 CT 則至少分3次掃描,每次掃描之前需平移樣品及矯軸等復雜工作,耗時大于4h,且樣品越長,相對普通 CT 掃描節省的時間就越多。圖9為竹子樣品的 SRSμCT 重構三維像及若干截面圖,整個結構的長度為10.54mm,為光斑豎直寬度的2.73倍,從切片中可以看出竹子內部細節。實驗結果表明,參數優化后的 SRSμCT 能對長樣品實現快速、高分辨、三維成像。

 

3 應用研究

     上海光源 X 射線成像組開展了多個領域的 X射線成像應用研究,主要有中藥材顯微特征結構鑒定[74-75]、藥劑粉體三維結構研究[76-77]、木竹材無損檢測研究[78]、新型骨修復支架 成 骨 作 用 的 定 量 評價[20]和材料的定量結構表征研究[79-80]。

 3.1 中藥材顯微特征結構

       中藥顯微鑒定是利用顯微鏡來觀察藥材的組織構造、細胞形狀以及細胞內含物的特征,用以鑒定藥材的真偽、純度甚至品質[81]。現有的中藥顯微鑒定手段,包括光學顯微法和電子顯微法,對樣品的制備都有較高的要求,而且為了鑒定需要,經常需要加入某些特定的化學試劑[81-82],這些試劑在起作用的同時有可能會破壞藥材中其他有用的結構鑒定信息。我國政府近幾年發表聲明稱要使中藥標準化,要加強中藥的基礎和臨床研究,對出口中藥制劑的測試和發展進行改進[83]。基于顯微鑒別的研究現狀和中藥目前的發展需求,X 射線相襯顯微成像技術為中藥材的顯微結構研究提供了一種簡便、快速、無損的新方法。

       ILPCI是利用 X射線的空間相干特性,實現低犣 介質內部結構的高襯度成像。中藥材主要由碳、氫、氧、氮等輕元素組成,原則上可以利用相襯成像來實現其特征結構的無損成像。由于具有更高的相干通量,利用第三代同步輻射光源成像可獲得更高的時間和空間分辨,可用于研究更高分辨的特征顯微結構。上海光源成像組利用 X 射線管和同步輻射 光 源,開 展 了 部 分 中 藥 材 顯 微 結 構 研 究 的 工作[74-75,84]。圖10給出的是人參的導管結構[75]。人參中主要用于顯微特征鑒定的輸導組織是導管,在本實驗中用到的七等野山參,經實驗發現其導管多數是螺紋導管結構,如圖10(b)中所示導管均為螺紋導管,其直徑約為39μm。園參中主要也是螺紋導管[如圖10(a)所示],大小在38μm 左右。簇晶的結構及大小分布是用于人參顯微鑒別的又一特征結構。實驗所用的五等野山參中,主要存在晶瓣較尖銳的簇晶,也存在少數晶瓣比較平鈍的結構,如圖11中顯示的簇晶結構[85]。另外,還發現同時存在如圖11中方框內所示的這種部分晶瓣尖銳、部分晶瓣平鈍的簇晶結構。


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