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(xiàn)原位、無損、高分辨、三維和動態(tài)成像，而且可以實現(xiàn)相位襯度成像，從而將 Ｘ 射線成像的應(yīng)用領(lǐng)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(yī)學(xué)、材料科學(xué)、古生物學(xué)、土壤學(xué)等領(lǐng)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(gòu)等成像方法學(xué)領(lǐng)域開展了較為全面、系統(tǒng)的研究，大幅提高了實驗效率和對不同樣品的適應(yīng)性。本文簡要介紹了上海光源 Ｘ 射線成像方法學(xué)發(fā)展及相關(guān)應(yīng)用研究進展。
關(guān)鍵詞 Ｘ射線光學(xué)；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(xué)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(fā)出的微光，即為現(xiàn)在廣為人知的 Ｘ 射線或倫琴射線［１］。Ｘ 射線被發(fā)現(xiàn)后，首先被用到醫(yī)學(xué)診斷上，第二年就提出了用于治療的設(shè)想。由于 Ｘ 射線的波長比可見光短得多，利用它成像可以達(dá)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(nèi)部結(jié)構(gòu)進行無損成像，這在醫(yī)療診斷等無損檢測領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。Ｘ射線醫(yī)療影像技術(shù)以及其他相關(guān) Ｘ 射線成像技術(shù)迅速地發(fā)展起來，已成為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及材料科學(xué)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(tǒng)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(chuàng)造了條件。ＳＲ 豐富了 Ｘ射線成像的襯度機制，除傳統(tǒng)的吸收襯度外，還有相位襯度、化學(xué)襯度、元素襯度、磁二色襯度等，大幅拓展了 Ｘ射線成像的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、考古、地球物理、納米科學(xué)和電子工業(yè)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(tǒng)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(shù) 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(tài)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(dá) 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(fā)展，三維空間分辨率可達(dá)微米乃至納米量級。ＳＲμＣＴ 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(yīng)，更精確地定量重建出樣品的線性吸收系數(shù)；同時能在高分辨率下實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集等。第三代同步輻射的插入件輻射是目前ＳＲμＣＴ 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(yī)學(xué)樣品研究顯得尤為重要。ＳＲμＣＴ 現(xiàn)已成為中能或高能第三代同步輻射裝置上的重點發(fā)展技術(shù)，近些年高時間分辨的 ＳＲμＣＴ 也得到了廣泛的關(guān)注。Ｘ射線成像已成為同步輻射領(lǐng)域的一項主流技術(shù)，國際上如 ＡＰＳ、Ｓｐｒｉｎｇ８、ＥＳＲＦ、ＳＬＳ和國內(nèi)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(xué)裝置，在科學(xué)界和工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用 價 值。Ｘ 射 線 成 像 與 生 物 醫(yī) 學(xué) 應(yīng) 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(jīng) 向 用 戶 提 供 超 過１３９００ｈ的實驗機時，執(zhí)行了４７０份實驗申請，用戶實驗超過２０００人次，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文１１０多篇。線站基于原位動態(tài)成像和顯微 ＣＴ 等成像手段，已在生物醫(yī)學(xué)、材料、古生物、考古、土壤等眾多研究領(lǐng)域取得了顯著成果。動態(tài)成像方面，利用微米分辨 Ｘ 射線動態(tài)成像研究動物腦血管灌注情況，解決了 Ｎｅｔｒｉｎ１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(xiàn)了合金凝固過程中枝晶生長過程的動態(tài)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(yīng)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(jù)［１７］；可原位研究多孔磷酸鈣／鎂等生物醫(yī)學(xué)工程材料對骨缺損修復(fù)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(jié)合動態(tài)成像和顯微 ＣＴ技術(shù)，實現(xiàn)了微波陶瓷燒結(jié)過程的動態(tài)觀測［２１］。在古生物領(lǐng)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(xiàn)了古生物胚胎、早期節(jié)肢動物等內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的亞微米分辨成像［２２］。此外，在土壤孔隙的三維團聚結(jié)構(gòu)，頁巖氣（油）顯微結(jié)構(gòu)定量分析，發(fā)動機燃油噴霧動態(tài)成像等方面也取得了重要研究成果［２３－２５］。
為滿足不同學(xué)科領(lǐng)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(xué)研究方面進行了持續(xù)的研究和探索，在 Ｘ 射線定量成像、顯微ＣＴ 成像、ＣＴ 快速重構(gòu)、三維 ＣＴ 數(shù)據(jù)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(xué)及相關(guān)應(yīng)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(xué)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(xué)研究，主要有同軸相位襯度成像（ＩＬＰＣＩ）相位恢復(fù)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(fā)［４０－４１］。
２．１ 同軸相位襯度成像相位恢復(fù)研究
ＩＬＰＣＩ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(yōu) 點［４２］。ＩＬＰＣＩ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(fā)展，尤其在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、植物學(xué)、考古學(xué)等諸多領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展空間［４３］。ＩＬＰＣＩ雖然是利用樣品的相位信息成像，但如不經(jīng)過相位恢復(fù)技術(shù)，ＩＬＰＣＩ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(fù)能從ＩＬＰＣＩ采集到的圖像重構(gòu)出樣品相位信息并用于定量研究，受到研究人員的廣泛關(guān)注［９－１１］。ＩＬＰＣＩ結(jié)合 ＣＴ 技術(shù)，即 Ｘ射線同軸相位襯度 ＣＴ［４４］（ＩＬＰＣＴ），能夠獲得生物軟組織、聚合物、纖維混合物等低 犣 樣品的內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)，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ＩＬＰＣＩ單距相位恢復(fù)算法和多距相位恢復(fù)算法都開展了相關(guān)研究。
２．１．１ 基于單幅成像的相位恢復(fù)算法
一般來說，相位恢復(fù)方法需要至少兩個不同物像距的ＩＬＰＣＴ 投影數(shù)據(jù)［９－１１］，這樣增加了數(shù)據(jù)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(shù)，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ＩＬＰＣＴ 數(shù) 據(jù) 進 行 相 位 恢 復(fù)，將 會 解 決 上 述 問題［２８，４５－４８］。在單距相位恢復(fù)算法中，由 Ｂｒｏｎｎｉｋｏｖ算法［４９］ 改 進 而 來 ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｂｒｏｎｎｉｋｏｖａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＭＢＡ）［４５］算法簡單直接，結(jié)合拉東變換和濾波反投影原理，可以直接從單距ＩＬＰＣＴ 數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)合，通過模擬和實驗相結(jié)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ＩＬＰＣＴ 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（ＰＡＤＭＢＡ）［２６－２７］即為采用吸收信息校正因子α的 ＭＢＡ 算法。
通過實驗數(shù)據(jù)驗證ＰＡＤＭＢＡ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(lián) 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(shù) 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ＰＡＤＭＢＡ 算法的重構(gòu)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(lián)聚苯乙烯、尼龍和 ＰＭＭＡ 棒材。
２．１．２ 基于兩幅圖像的相位恢復(fù)算法
單距離相位恢復(fù)方法由于其算法穩(wěn)定性高，實驗與數(shù)據(jù)處理快捷方便等優(yōu)點已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［４６－４７，５０］，然而，當(dāng)將它應(yīng)用于如骨頭、血管等復(fù)雜且精度要求高的樣品時，就會表現(xiàn)出一定的局限性。相反，多距離相位恢復(fù)方法可以顯著提高相位恢復(fù)精度［５１－５２］，但也相應(yīng)地增大了樣品所受的輻射劑量以及算法復(fù)雜度和數(shù)據(jù)處理難度［５３－５４］。相比于這些方法，兩距離相位恢復(fù)是一種很好的折中方法，它不僅能適當(dāng)提高定量恢復(fù)精度，而且可以有效減小數(shù)據(jù)處理時間和輻射劑量。然而，兩個成像距離狕１ 和狕２ 的優(yōu)化選擇是決定兩距離相位恢復(fù)方法使用效率和恢復(fù)精度的關(guān)鍵因素。
基于Ｂｏｒｎ近似相位恢復(fù)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(tǒng) 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(guān)度（ＳＣＤ）［５５］來分別衡量相位恢復(fù)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(fù)，根據(jù)ＲＭＳＥ和ＳＣＤ指標(biāo)總結(jié)出達(dá)到最高精度的兩距離優(yōu)化選擇方法［３０］。
結(jié)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(xiàn)出經(jīng)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(fù)結(jié)果產(chǎn)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(dāng)樣品尺寸、Ｘ 射線波長以及探測器分辨率等參數(shù)確定后，就可以確定一個最優(yōu)化的距離狕１。這就說明，用于相位恢復(fù)的兩幅相襯像之間不僅要具有良好的頻譜相關(guān)性，而且要互補（頻域內(nèi)互補以覆蓋更多的頻域成分）以獲取更高的相位恢復(fù)精度。兩距離相位恢復(fù)優(yōu)化方法的 ＲＭＳＥ小于０．０８，在輻射劑量和恢復(fù)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(fā)射型 ＣＴ 成像技術(shù)，通過測量元素的特征 Ｘ 射線熒光，結(jié)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(nèi)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(shù)。國際上主要同步輻射裝置如 ＥＳＲＦ［５６］、ＡＰＳ［５７］、Ｓｐｒｉｎｇ８［５８］、ＮＳＬＳ［５９］等都建有 Ｘ射線熒光 ＣＴ 成像系統(tǒng)，目前該方法已應(yīng)用 于 多 個 領(lǐng) 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(shù)據(jù)采集速度較慢，為了實現(xiàn)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(zhì)量，又可以減少對投影數(shù)據(jù)量的 需 求。 受 單 光 子 發(fā) 射 計 算 機 斷 層 成 像 術(shù)（ＳＰＥＣＴ）重建算法相關(guān)研究結(jié)果的啟發(fā)，將有序子集期望值最大化（ＯＳＥＭ）算法應(yīng)用到了 ＸＦＣＴ 重建中。ＯＳＥＭ 是正電子發(fā)射斷層成像術(shù)（ＰＥＴ）和ＳＰＥＣＴ 中常見的重建算法，它以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，具有很高的重建精度，又可以在采樣數(shù)據(jù)不滿足奈奎斯特采樣條件時，給出比較理想的重建結(jié)果。以ＳＤ大鼠硬化肝為樣品，對其內(nèi)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(shù)目為２３次。Δθ＝６°時的數(shù)據(jù)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(jié)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(fā)生模糊現(xiàn)象并且受樣品吸收效應(yīng)影響小的優(yōu)點。隨著角度采樣間隔 Δθ的增加，ＯＳＥＭ 算法的圖像質(zhì)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(shù)據(jù)量，有效地縮短了 ＸＦＣＴ 成像過程，有助于進一步實現(xiàn)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(shù)，它可以獲得非結(jié)晶樣品的高分辨率三維結(jié)構(gòu)信息。ＣＤＩ方法利用“過采樣”采集樣品的遠(yuǎn)場相干衍射圖樣，結(jié)合相位重建迭代算法重建物空間樣品信息，能夠?qū)崿F(xiàn)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(dá)到５ｎｍ 左右［６７］），而且可以獲得樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息。ＣＤＩ方法另外一個獨特優(yōu)勢是可以得到樣品內(nèi)部絕對電子密度信息，進而得到質(zhì)量密度的三維分布［６８］。
ＣＤＩ的一個關(guān)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(fā)現(xiàn)存在一個最有利于相位重建的過采樣比區(qū)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(qū) 域 在 ３～７ 之間［３６］，這為相干 Ｘ射線衍射成像實驗及后續(xù)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(diào)整到最優(yōu)化區(qū)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(tǒng)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(tǒng)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(dǎo)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(tǒng) ＨＩＯ 算法中靜態(tài)邊界約束條件會導(dǎo)致重建結(jié)果不完整及出現(xiàn)孿生像的問題，采用臨時邊界約束及動態(tài)邊界約束條件有效地避免了以上兩種問題的出現(xiàn)。另外采用邊界自動尋找算法避免了傳統(tǒng) 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(xiàn)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(guān)函數(shù)（頻域空間強度的逆傅里葉變換），隨著迭代次數(shù)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(yuǎn)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 ＳＲμＣＴ 對長樣品逐層掃描并拼接實現(xiàn)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（ＳＲＳμＣＴ）將螺旋掃描引入到ＳＲμＣＴ 中，可有效地解決這一問題，實現(xiàn)連續(xù)快速容積掃描，縮短數(shù)據(jù)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(xù)，實現(xiàn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)三維無損成像研究的能力。
ＳＲＳμＣＴ 實驗設(shè)備搭建，重建算法編寫，并通過理論模擬系統(tǒng)研究各實驗參數(shù)對成像質(zhì)量和速度的影響，對選取合適的實驗參數(shù)有重要的指導(dǎo)意義。ＳＲＳμＣＴ 實驗設(shè)備搭建如圖８所示，Ｘ 射線保持不動，樣品臺包括旋轉(zhuǎn)臺和升降臺。旋轉(zhuǎn)臺作勻速圓周運動，同時升降臺作勻速上升運動，實現(xiàn) Ｘ 射線對樣品的螺旋掃描，ＣＣＤ探測器在樣品后面連續(xù)采集投影數(shù)據(jù)。利用采集的螺旋 ＣＴ 投影數(shù)據(jù)，可重建切片及三維結(jié)構(gòu)。ＳＲＳμＣＴ 重建的主要思想是先將投影數(shù)據(jù)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(yīng)的初始視角轉(zhuǎn)換，最后實施濾波反投影重建［７０－７１］。
通過數(shù)值模擬不同螺距（樣品旋轉(zhuǎn)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(shù)的ＳＲＳμＣＴ 實驗過程并重建，系統(tǒng)研究這些參數(shù)對成像質(zhì)量、速度的影響。模擬結(jié)果表明，在螺距不大于２的前提下，１８０°投影數(shù)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(nèi)；選取合適的參數(shù)值使旋轉(zhuǎn)平移比為整數(shù)，誤差最小。
ＳＲＳμＣＴ 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(shù)為６００。光斑豎直寬度為３．８６ｍｍ。根據(jù)模擬結(jié) 果 優(yōu) 化 實 驗 參 數(shù)，選 取 樣 品 上 升 速 度 為６ｍｍ／ｓｔｅｐ，轉(zhuǎn)動角度步長為０．３°／ｓｔｅｐ，對應(yīng)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(fù)雜工作，耗時大于４ｈ，且樣品越長，相對普通 ＣＴ 掃描節(jié)省的時間就越多。圖９為竹子樣品的 ＳＲＳμＣＴ 重構(gòu)三維像及若干截面圖，整個結(jié)構(gòu)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(nèi)部細(xì)節(jié)。實驗結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的 ＳＲＳμＣＴ 能對長樣品實現(xiàn)快速、高分辨、三維成像。
３ 應(yīng)用研究
上海光源 Ｘ 射線成像組開展了多個領(lǐng)域的 Ｘ射線成像應(yīng)用研究，主要有中藥材顯微特征結(jié)構(gòu)鑒定［７４－７５］、藥劑粉體三維結(jié)構(gòu)研究［７６－７７］、木竹材無損檢測研究［７８］、新型骨修復(fù)支架 成 骨 作 用 的 定 量 評價［２０］和材料的定量結(jié)構(gòu)表征研究［７９－８０］。
３．１ 中藥材顯微特征結(jié)構(gòu)
中藥顯微鑒定是利用顯微鏡來觀察藥材的組織構(gòu)造、細(xì)胞形狀以及細(xì)胞內(nèi)含物的特征，用以鑒定藥材的真?zhèn)巍⒓兌壬踔疗焚|(zhì)［８１］。現(xiàn)有的中藥顯微鑒定手段，包括光學(xué)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(jīng)常需要加入某些特定的化學(xué)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(jié)構(gòu)鑒定信息。我國政府近幾年發(fā)表聲明稱要使中藥標(biāo)準(zhǔn)化，要加強中藥的基礎(chǔ)和臨床研究，對出口中藥制劑的測試和發(fā)展進行改進［８３］。基于顯微鑒別的研究現(xiàn)狀和中藥目前的發(fā)展需求，Ｘ 射線相襯顯微成像技術(shù)為中藥材的顯微結(jié)構(gòu)研究提供了一種簡便、快速、無損的新方法。
ＩＬＰＣＩ是利用 Ｘ射線的空間相干特性，實現(xiàn)低犣 介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xiàn)其特征結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié) 構(gòu) 研 究 的 工作［７４－７５，８４］。圖１０給出的是人參的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)［７５］。人參中主要用于顯微特征鑒定的輸導(dǎo)組織是導(dǎo)管，在本實驗中用到的七等野山參，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)管多數(shù)是螺紋導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，如圖１０（ｂ）中所示導(dǎo)管均為螺紋導(dǎo)管，其直徑約為３９μｍ。園參中主要也是螺紋導(dǎo)管［如圖１０（ａ）所示］，大小在３８μｍ 左右。簇晶的結(jié)構(gòu)及大小分布是用于人參顯微鑒別的又一特征結(jié)構(gòu)。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(shù)晶瓣比較平鈍的結(jié)構(gòu)，如圖１１中顯示的簇晶結(jié)構(gòu)［８５］。另外，還發(fā)現(xiàn)同時存在如圖１１中方框內(nèi)所示的這種部分晶瓣尖銳、部分晶瓣平鈍的簇晶結(jié)構(gòu)。