（核技术及应用专业论文）x射线成像旋转椭球聚焦镜的设计与检测.pdf

摘要 摘要 x 射线三维相位成像因其可实现厚物质的内部三维结构的观察，在生物医学 和纳米材料领域有着广泛的应用。国家同步辐射实验室( n s r l ) 利用全场透射显微 技术( t x m ) 建设了高空间分辨x 射线成像光束线和实验站。通过分析x 射线成 像系统的不同的聚焦光学元件，选用旋转椭球聚焦镜来聚焦入射光源。针对成像 系统对照明光的要求，设计了四组旋转椭球聚焦镜，并利用新颖的实验方法对美 国x r a d i a 公司制作的旋转椭球镜进行了检测。结果表明，旋转椭球聚焦镜的设 计满足成像要求。 本论文主要开展了以下几个方面的工作： 1 总结x 射线显微技术以及x 射线的微聚焦光学元件。总结了x 射线成像技术 中出现的新研究领域：x 射线相位衬度成像技术和x 射线三维( 显微) 成像技术。 分析了三类x 射线微聚焦光学元件的特点和适用范围。从而选定旋转椭球聚焦镜 为n s r l 的x 射线成像实验站的聚焦光学元件。 2 旋转椭球聚焦镜的设计。旋转椭球聚焦镜的设计按照以下原则：1 ，x 光源处 于椭球的一个焦点处，以掠入射角照射到旋转椭球聚焦镜后，经表面全反射聚焦 于椭球镜的另一焦点上。2 ，根据成像系统的要求，四组旋转椭球聚焦镜出射光 的数值孔径应与波带片环状照明的数值孔径一致。根据以上原则设计了四组旋转 椭球聚焦镜的长轴和短轴和工作长度等。 3 旋转椭球聚焦镜的检测。聚焦光斑的大小和聚焦效率是衡量旋转椭球聚焦的 两个最重要的指标。采用n s r l 的t x m 实验站自身的优势，设计合理的实验方法 获得聚焦镜光斑的大小和效率。用实验值与理论值相比较，从而得出旋转椭球镜 的设计合理性以及它的性能。 关键词：x 射线成像聚焦光学元件旋转椭球聚焦镜聚焦性能 a b s t r a c t a b s t r a c t f o rt h ep e n e t r a t i n gp o w e ro fx - r a y sa n di m a g i n gs o m e t h i n gl i k e ss o f tt i s s u e s w i t h o u tc o n t r a s tm e d i aa n d o ras e r i o u sd o s e ，t h r e ed i m e n s i o n a l ( 3 d ) p h a s e c o n t r a s t x - r a yi m a g i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di nm e d i c a lr a d i o l o g y ，m a t e r i a ls c i e n c e ，a n d i n d u s t r i a lr a d i o g r a p h ye ta 1 u t i l i z i n gt r a n s m i s s i o nx r a ym i c r o s c o p e ( t x m ) ，ah i g h r e s o l u t i o nx r a ym i c r o s c o p ee n d s t a t i o nw a sc o n s t r u c t e do na w i g g l e rb e a m l i n ea tt h e n a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o r y ( n s r l ) b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fm i c r o 。f o c u s i n go p t i c sf o rx r a y , e l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r yw a sc h o s e na sc o n d e n s e r p a r a m e t e r so ft h ee l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r i e s ( x r a d i a , u s a ) a sc o n d e n s e r sw e r e c a l c u l a t e da n dd e s i g n e db a s e do nt h ei l l u m i n a t i o nr e q u e s t si nt h ex - r a ym i c r o s c o p e s y s t e m p e r f o r m a n c eo ft h ee l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r i e sw a st e s t e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eb e a ms i z ea g r e e sw i t ht h ed e s i g n e dp a r a m e t e r sa n df o c u se f f i c i e n c i e s o ft h ee l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r yc o n d e n s e r sa r ea l s op e r f e c t i b l e t h em a i nw o r k si nt h et h e s i sa r ed e s c r i b e da st h ef o l l o w i n g ： s u m m a r i z e dx 。r a y m i c r o s c o p ea n dm i c r o - - f o c u s i n go p t i c sf o rxr a y n e w r e s e a r c hf i e l d si nx - r a ym i c r o s c o p ew e r ei n t r o d u c e d ：p h a s e c o n t r a s tx r a y i m a g i n ga n dc o m p u t e rt o m o g r a p h yf o r3 di m a g i n g a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c e sa n da p p l i c a t i o n so f3k i n d so fm i c r o f o c u s i n go p t i c sf o rx - r a y , e l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r yw a sc h o s e na sc o n d e n s e r f o u re l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r i e sw e r ed e s i g n e d t h ep r i n c i p l e sw e r ef o l l o w e d ： ( 1 ) t oi m a g et h ex - r a ys o u r c ew i t ha ne l l i p s o i d a lr e f l e c t o r ，t h es o u r c ea n dt h e f o c u sm u s tb el o c a t e da tt h et w of o c a lp o i n t so ft h eg e n e r a t i n ge l l i p s e ( 2 ) t h e n u m e r i c a la p e r t u r e ( n a ) ，o u t p u tr a n g eo fi l l u m i n a t i o na n g l e s ，o ft h ec o n d e n s e r s h o u l dm a t c ht h en ao ft h em i c r o s c o p eo b je c t i v el e n sf o rb e s tr e s o l u t i o na n d p e r f o r m a n c e f o u re l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r i e sw e r et e s t e d t h ef o c a ls p o ts i z ea n dt h ex - r a y c o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya r ei m p o r t a n tp a r a m e t e r st oc h a r a c t e r i z et h ep e r f o r m a n c e o ft h ec o n d e n s e r a c c o r d i n gt ot h ex - r a ym i c r o s c o p ee n d s t a t i o no fn s r l ， o r i g i n a le x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e dt o t e s tt h ef o c a ls p o ts i z ea n dt h ex - r a y c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h eb e a ms i z ea g r e e sw i t ht h e i i a b s t r a e t d e s i g n e dp a r a m e t e r sa n df o c u se f f i c i e n c i e so ft h ee l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r y c o n d e n s e r sa r ea l s op e r f e c t i b l e k e yw o r d s ：x r a ym i c r o s c o p e ，m i c r o f o c u s i n go p t i c s ，e l l i p s o i d a lg l a s sc a p i l l a r y , p e r f o r m a n c eo ft h ec o n d e n s e r i i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 囝金簋 砂嗲年朗万日 砂研 f r 第一章x 射线三维显微成像技术 第一章x 射线三维显微成像技术 1 1x 射线显微成像技术 随着材料科学和生命科学的迅速发展，迫切需要一种能研究新型材料和自然 状态下的生物大分子的精细结构和功能的成像方法。受可见光波长的限制 ( 4 0 0 7 0 0 h m ) ，光学显微镜的分辨率很难突破2 0 0 n m 的衍射极限。虽然使用共 焦扫描成像和近场扫描显微术，可将这一分辨率极限提高到一个数量级以上，但 由于生物组织对光的强散射，接收到的光子携带的样品信息几乎消失殆尽，其成 像分辨率仅为毫米量级。目前电子显微镜的分辨率已经达到0 1 n m ，但是电镜需 要对活体细胞进行脱水，固化，染色等处理，并且样品室要求真空环境，这些会 破坏生物样品的自然状态。电子束的辐射剂量可高达几百拉德，很容易损伤生物 样品。原子力显微镜和磁力显微镜，利用的是探头与表面分子微弱的作用力，所 以仅适用于对样品的表面结构的研究，它们的分辨率可达到亚原子的量级。它对 样品的基片要求很高，制备样品必须放在具有相同的平滑度的基片上，并要求平 滑度适合于导体表面的晶格或生物分子，这就限制了该显微镜在材料科学和生物 学上的广泛应用。 由于x 射线波长比可见光短得多，用它来进行成像，在理论上分辨率要比 可见光高2 4 个量级，与可见光相比，x 射线对于大多数物体的穿透能力要大得 多，而且它的穿透能力跟物体的种类关系不像可见光那样悬殊。使用不同能量的 x 射线，我们可以对各种材料、密度和性质的物体进行穿透，从而在不破坏物体 的情况下研究其内部结构。此外，x 射线与物质相互作用( 吸收、散射、相移等) 的性质与可见光也有很大的不同，对于有机物质、轻元素材料成像时可以获得较 大的反衬度，而且由于反衬机制清楚，有利于进行区位分析 1 1 。正是x 射线的这 种性质，使其从被发现的那一刻，就和成像技术结下了不解之缘。x 射线成像一 直都是x 射线应用的重要领域之一。 x 射线成像的方式多种多样，从成像光路来说，采用各种x 射线波段光学 元件的成像系统进行成俐2 - 3 】；有利用x 射线几何光学原理的接触投影成像【4 1 ，一还 有利用x 射线波动性质的相关光学成像，如x 射线全息1 5 。0 1 ，x 射线相位成像 1 1 - 1 9 】 第一章x 射线三维显微成像技术 等。从探测信号类型来说，有探测透射、散射x 射线的成像方式，也有探测x 射线产生的各种次级效应的成像方式，例如利用x 射线荧光、x 射线激发的光 电子等信号进行成像。 随着优异的x 射线光源同步辐射光源的出现和广泛应用，各种x 射线 光学器件的研制成功，x 射线成像技术也发展到新的高度。目前在x 射线成像 技术中出现的新研究领域包括x 射线相位衬度成像技术和x 射线三维( 显微) 成像技术。 1 2x 射线相位成像技术进展 自从伦琴1 8 9 5 年发现x 射线以来，传统的x 射线成像已有上百年的历史， 已成为医学，生物学及材料科学中不可或缺的诊断工具，它们大部分都是以吸收 衬度为基础的，图像的衬度是由于样品的密度分布差异，组成以及厚度的不同对 x 射线的吸收不同而引起的。组成样品的元素越重，x 射线的吸收系数就越大， 就能得到吸收衬度很强的图像。然而对于生物软组织，聚合物及碳纤维等以轻元 素为基的材料而言，由于材料对x 射线几乎没有吸收或者很少吸收，或者不同 轻元素之间的吸收差别很少，所以只能记录很差的图像衬度。比如，在乳房x 射线照相术中，需要分辨出各种软组织中正常组织与癌变组织，但是因为软组织 对x 射线的吸收本来就很小，再者正常组织与癌变组织的密度和成分差异很小， 因此，常规的x 射线成像技术在这种情形下就不能发挥作用。虽然图像的质量 可以通过延长曝光时间来提高，但容易对生无样品造成辐射损伤，破坏样品内部 原有的结构。因此，要解决这个问题，需要分析x 光经过物体，折射率的变化， 提出另一种衬度机制，用于对以轻元素为基的样品成像。 1 2 1 x 射线在物体中的传播特性 x 光经过物体时，由于物体的厚度和对x 光的折射率的不同，引起光的振 幅和相位发生变化。由于光的相位的变化对波前再定位，从而改变光的传播方向。 假设x 光沿z 轴传播，即, = f ( x ，y ) e x p ( i k z ) ，其中k = 2 7 r 2 是x 光在真空中的 波数，名是波长。光经过物体d 的不同的平面( ( x ，y ) 后的衰减和相位的变化可 以表示为： 2 第一章x 射线三维显微成像技术 f ( x ，y ) = e - k l z ( x , y ) + i k 妒。y 光在传播中的相位变化可由折射系数中万沿光的传播路径的线积分表示： 妒( x ，y ) = 一i 万( x ，y ，z ；七) 出7 2 ， () 而振幅的衰减则由吸收系数3 沿光的传播路径的线积分表示： ( x ，j ，) = l p ( x ，y ，z ；k ) d z 6 物体的折射系数可以表示为刀= ( 1 一万) + i p ，折射系数和吸收系数都是由频 率和光子能量决定的。如图1 1 表示聚碳酸酯对x 的折射系数n 由于折射系数万 非常小，比如在1 0 k e v 时是1 0 ，光经过物体后的偏折也非常小，在能量比较低 时，万和大小相当，都是吸收随着能量增加急剧下降，所以此时物体的吸收衬 度很差，但是对于大多数物体而言，在高能阶段万( 1 0 3 ：1 0 5 ) ，尽管吸收衬 度很小，但是可以利用相位衬度成像。在医学中，这就意味着用极小的辐射剂量 检测。 - o c 匹 凸 p h o t o nen e r g y ( e v ) 1 2 2x 射线相位成像方法 图1 1 聚碳酸酯对x 的折射系数 当x 射线穿透物质时，它的位相变化给出了产生位相衬度的可能性 2 1 1 。近 几十年来，相位成像引起了广泛的关注 2 2 1 v 由于能量在硬x 射线波段时，相位 3 第一章x 射线三维显微成像技术 衬度更明显，所以人们现在越来越关注硬x 射线的相位衬度成像 2 3 - 2 5 。 探测相位的一种方法是干涉法，干涉图样由相干的平面波组成，可表示为： i ( x ，j ，) = 1 1 + e x p i c p ( x ，y ) 矿= 2 1 + c o s 口o ( x ，y ) 】 ( 4 ) 另外的方法是探测由相位变化引起的折射信息。在真空中波阵面与传播方向垂 直。波的偏折角( 吒，口，) 与相位伊( x ，y ) 的关系式为： ， ( q ，口y ) = 兰v 呼o ( x ，y ) ( 5 ) 微分相位成像就是利用这种方法。大多数的相位成像方法都是利用( 4 ) 和( 5 ) 式的。 对于干涉法，至少要把一束光分成两束相干光。在x 射线领域一般使用波 前分束和振幅分束。波前分束相对而言比较简单，如果满足空间相干，杨氏双缝， 菲涅尔双镜，棱镜都可以用来波前分束。振幅分束法对空间相干的要求不是很 高。在硬x 射线范围，完整晶体是最好的振幅分束器，利用晶体分束进行相位 成像将在1 2 2 1 中讨论；近年来，透射光栅也可以作为x 射线干涉仪，本文将 在1 2 2 2 中讨论；在硬x 射线波段，根据折射形成相位衬度成像在1 2 2 3 中 讨论。晶体不仅作为窄的光通带过滤器，而且也是瞄准仪【2 6 1 。完美的晶体的布拉 格衍射接收角是1 1 0 声t r a d ，用来选择这射光；如果光的相干性很好，当光经过 物体，波阵面变化，样品和像平面的距离是米的量级，菲涅尔衍射或者夫朗和费 衍射是可以探测到的。衍射方式在1 2 2 4 中讨论。这四种方式就是硬x 射线相 位成像的主要方法。即晶体干涉成像法、光栅剪切相位衬度成像、衍射增强成像 法和相位传播成像法。现在普遍发展的相位成像方法还有泽尼克相位成像法将在 1 2 2 5 中讨论。 1 2 2 1 晶体干涉成像法 人们有可能认为干涉测量法首先是在软x 射线领域实现，然后根据波长延 伸到了硬x 射线领域。其实，人们首先是在硬x 射线领域应用此种方法的。主 要是因为硬x 射线成像可以再非真空的情况下实现而软x 射线则不能，而且晶 体的周期结构与硬x 射线的波长相当。 x 射线干涉仪首先在1 9 6 5 年由vb o n s e 和m h a r t 研制成功【1 11 ，最近几 年由a m o m o s e 等人1 把它用来研究相衬成像。m o m o s e 与t t ak e d a 首先将 这种x 射线干涉仪用于相衬成像方面，如图1 2 所示。由一整块完美硅单晶分割 4 第一章x 射线! 维显微成像技术 成三块完美晶体平行放置。形成一个x 射线干涉仪。第一块晶体将经过单色仪之 后的x 射线光束分束，分成透射波和衍射波，在对称的实验装置安排中，在晶体 准确的布拉格位置上，两束波的强度完全相等；中间的晶体作用类似于一个镜子， 将两束光台束；第三块晶体则作为分析晶体。样品放置在其中一束光的光路中， 位于中间晶体和分析晶体之间，并由此引入相位变化，使波前发生畸变。经过样 品的物光与参考光干涉而产生干涉条纹条纹对于经过样品之后产生的相移非常 敏感。 同步辐刺源 图l2 x 射线干涉仪 析品体 同 瀛器 光经过物体后，相位发生变化然后经过干涉后，光强可以表示为： ( x ，y ) = a ( x ，y ) 十b ( x ，y ) c o s 睁( x y ) + 扛，y ) 】 ( 6 ) 4 帆 是平均强度，o 忙，川是干涉的衬度，因为晶体是有剩余应力通常会产生 应力干涉条纹图。主要是k y ) 决定的。当伊o ，y ) 超过2 f ，( 。，y ) 就不能忽略。 这样就使干涉图样分析变得更加复杂，所以一般用傅里叶波动的方法来分析“”。 利用晶体干涉成像法，灵敏度比较高。并且在生物方面得到了很好的利用“”。 如图1 3 是在1 24 k e y 能量下观察小鼠肾脏组织的相位层析图。图中可以清楚地 区分不同的组织结构。 第一章x 射镜= 罐显徽虑慑技术 图l3 是在1 2 a k e v 能量下，小鼠肾脏组织的相位层折图 1222 光栅剪切相位衬度成像法 光栅干涉方法剐开始在硬x 射线波段成像是用两个 r 位光栅和一块晶体【” 随后简化成一个相位光栅和一个振幅光栅”4 ”。此方法中利用傍轴照明，与晶 体干涉相比震动引起的影响相对会小。 利用光栅剪切干涉获得对样品折射光的角度选择性，探测样品引起的折射 角。图1 4 是光栅剪切相位村度成像装置示意图1 3 6 1 = 在没有样品时，自成像光栅 通过衍射会形成一幅光栅的自成像，称为泰保效应( 该效应可以看作是多种双缝 干涉共同作用的结果k 3 7 1 。在光栅像的地方插入一块空间周期和光栅像相同的 分析光栅，随着分析光栅横向移动，探擐懦上的光强会出现强弱的周期性变化。 在放入样品前，先调节自成像光栅和分析光栅的相对位置，使光像和分析光栅处 于半对准状态，即光栅像上有一半光子通过分析光栅，4 达探颡5 器，另一半光子 被分析光栅阻挡。放入样品后，样品的折射使光栅自成像发生扭曲，从而调控光 栅像通过分析光栅的光子数，使探测器获得样品的折射衬度。 * 一x 射线兰堆显徽成像技术 a 一一 ：? 、 l f 二：3 上 y 7 7 _ 工飞兰搿 上s a m p l e l ， l n c i d e n td i s t o r t e d i4 光栅剪切相位村度成像装置 光栅剪切相位成像，在生物样品的研究方面做出了巨大的贡献。如图15 是 在1 24 k e v 的能量下观察蚂蚁。( a ) 是莫尔方式( b ) 是微分相位凰。 图15 是在1 24 k e y 的能量下观察蚂蚁o 2 0 0 6 年3 月2 6 日，n a t u r ep h y s i c s 发表了一篇极具创新思想的文章l ，提出 了将光栅剪切相位村度成像和常规x 射线光源结合的方法。这个方法的巨大优 。 一 吵 第一苹x 射线= 罐显徽成悼拉术 势不仅在于使用光栅将非相干光源分害0 为多个并行的互相独立的缝相干光源，而 且还在于通过选择光栅的空间周期，调节探涮折射角的灵敏度和线性范围。因此， 这里面蕴藏着巨大的机遇。 12 23 衍射增强成像法 1 9 9 5 年，衍射增强成像首先由俄罗斯的vn 1 n g a l 等人1 和加拿大的 w i l k i n s 等人1 完成。1 9 9 7 年美国的dc h a p w a m 、wt h o m l i n s 和zz h o n g 等人发展成为如今广为接受的衍射增强成像技术m m j ，提出了样品中折射率梯度 成像细节i ”i 。 衍射增强成像实验装置典型结构如图1 6 所示t 4 3 1 。晶体具有非常窄的接 收角，只有当入射光沿着接收角的方向入射时晶体才会反射入射光，当入射光 沿着其他方向入射时，晶体拒绝反射 射光。成像过程为：同步辐射白光经过 单色器品体单色，形成单色准直光束照射在样品上，样品中密度不同或者结构不 同的区域会以不同的折射角折射x 射线，分析晶体通过旋转调节接收角度，可 以任意选择某一折射角度出射的折射光获得样品的折射衬度像。 x - r a yi m a g ed e l e c f o r 6 衍射增强成像实验装置图 假设分析晶体的反射曲线是r ( 口) ，样品的传输函数是直y ) 。x p 徊( x ，川 由分析晶体反射的光强可以表示为： i ( x , y , o o ) = “y ) r ( o o 一吼k 枷 ( 7 ) 岛是不放样品时的入射角，相位变化伊( y ) 是对晶体扫描后的对偏折角q ( y ) b 爨一 e a j 蹙 。 己 荔至 第一$ x 射线= 维触像技术 的积分决定的。偏折角的信息可以表示为： b 似，y ，鼠) 8 “力3 专亓丽 图17 是利用这种方法在2 0 7 k e y 的能量下观察蚂蚁的示意图。( a ) 是在布拉 格衍射角甜近得到的- 嘞是利用( g ) 式得到的偏折角的信息( c ) 旋转晶体得到 蚂蚁的三维结构图。 图17 在2 07 k e v 的能量下观察蚂蚁的示意图 此种方法在医学上应用比较广泛，主要是乳虏和关节软骨的诊断1 4 4 4 8 1 这种 成像方法的最大优点是信噪比高。具有实际应用前景，受到了各方面的关注，也获 得了迅速的发展。 12 24 相位传播成像法 通常情况下，为了避免图像的模糊，物体和像平面的距离越短越好。但是空 问相干照明光即使是硬x 射线波段，菲涅尔和夫朗和费衍射是在物体后的一 段距离才能观察到的“9 ”。即使是相位物体，它的边缘增强衬度仍然可| 三【观察到。 1 9 9 5 年开始澳大利亚的w i l k i m 的研究小组和法国e s r f 的科学家们分别采 用微聚焦点光源和同步辐射装置应用同轴成像技术得到了x 射线位相衬度图 像。这种同轴技术是一种基于菲涅耳衍射的x 射线位相衬度成像方法。该技术 又被称为菲涅耳衍射相衬技术和同轴轮廓相村技术。图l8 是相位传播成像光路 示意图。 同轴法成像的基本原理是当一均匀相干x 光通过一个截面非均匀的物 体时，产生位相差，即波面发生畸变，这一波面的畸变如果继续传播一定的距离 将和未发生畸变的波面发生干涉，从而将位相信息转化成强度调制，在一定的距 离处能l 【可观察的强度变化显示出来，再进一步传播这种强度变化将减弱。因此， 第一章x 射线三维显微成像技术 这种位相衬度成像的关键就是有相干光源和在适当的距离进行探测。 a i m a g ed e t e c t o r 哲 ：- r a ys o u r c e 、 萎蚕至至 一冬磐三萋 4 萎惑! 。# = ：。恶 ， j ，鼍警 卜r ，l r 2 一i 图1 8 ( a ) 以衰减为基础的成像装置( b )同轴相位传播成像光路示意图 在x 波段傍轴近似时，光沿z 轴的传播方程可以表示为： 了2 xi 0 ，( x ，y ，z ) ：v 上【，( x ，y ，z ) v 上妒( x ，j ，z ) 】 ( 9 ) 这就是著名的传播方程( t i e ) ，v 上是在x - y 面得梯度因子，样品引起的相位变化 伊( x ，y ，z ) 可以由t i e ( 9 ) 式得到。 假设物体时弱吸收的，单位振幅的平面波式可以简化为 m 删 1 + 箬v 上2 伊( 训，o ) 】 这就是说，在物体的边缘折射系数变化很大时，就会产生很好的相位衬度【5 4 1 。 如图1 9 ( a ) 表示小鼠的胸腔图改图在能量是2 8 8 k e v ，距离光源6 5 m 是得到 的。与( b ) 图的吸收相位相比，边缘衬度大大增强。 1 0 第一章x 射线三雏显碰成像技术 图l9 ( a ) 相位村度下小鼠的胸腔幽，( b ) 吸收村应f 的图片 同轴法由于实验装置简单而且这种成像方式中光源可以自由的转动，有可能 最早被应用于临床医学c t 领域 5 ，。$ 8 1 d 但是典型的相位飘移产生的折射角一般只 在几个弧度量级的范围，要显示这些折射效应需要非常的精密仪器和有效的方 法，像干涉法、衍射增强方法。但是这些方法需要完整的晶体作为基础。利用位 相信息进行成像，不仅可以大大提高图像衬度和质量，同时还可以减少样品所受 的辐射剂量，这对辐射敏感的样品来说是非常有利的。 1 2 2 5 泽尼克相位成像法 在可见光成像中，泽尼克首先引入了相位衬度哺1 。在光的传播过程中，把 光的相位变化由位相板转化为振幅的变化1 ，这就是泽尼克相位成像。泽尼克 相位成像在x 射线领域同样适用。在x 射线波段，泽尼克相位成像都是依赖菲 涅尔波带片成像为基础的。泽尼克相位成像首先是在软x 阶段得到应用洲但是 最近在硬x 射线波段也发展了波带片为基础的泽尼克相位成像【6 2 】。这是因为在 硬x 波段，相位衬度更明显。如图1 _ 1 0 是p o h a a gl i g h t u r c ec p l s ) 发展的硬x 射线的泽尼克相位成像实验图旧1 。图i 1 1 是p h o t o n f a c t o r y b l 3 c 2 上的硬x 射 线的泽尼克相位成像实验图4 柳。 第一章x 射缱! 堆显带成像技木 b e a d i n g 瑚o n e l 5 1 ) o u b l c - c l 、s t aj m o n o c h r i j i l ) 8 t o l s ic 1 1 1 1 剀l1 0 p l s 的硬x 射线泽尼克相位成像实验酬 - l s l 0 r d c r lb tu c i r c a lj i l _ l a ! c 幽l1 ip h o t o nf a c t o r s b l 3 c 2 上的硬x 射线的泽尼克相位成像实验图 1 3x 射线三维显微成像技术 利用x 射线研究物体的内部结构一直是人们感兴趣的问题。通过投影方式 可以得到内部不同部分横向排列的信息，而对于沿着投影方向的各个部分会园相 互重叠、阻挡而无法分辨。这一不足可以通过将物体旋转一定角度后重新作投影 图来弥补。这种旋转样品的方法提示人们思考是否可以通过对样品作不同角度下 的投影来再现物体内部结构在空间中的三维分布。由于从投影数据还原三维结构 需要进行大量的数值计算，因此这技术从一开始就与计算机紧密相连并被称 为计算机辅助断层成像技术，简称c 1 - l e , 渊l 。 c t 技术的基本思想如下：图1 1 2 为c t 技术的示意图，首先x 光照射在样 品上，我们取得一组数据然后转动样品台一个小角度口，取得新入射角的另 第一章x 射线! 维显徽成像拄术 一组数据。如此重复，直至旋转n 9 次( n ex 口= 1 8 0 0 ) ，取得n 9 组数据为止， 我们称每一组数据为一组“投影数据”。通过处理这些投影数据得到样品三维信 息的过程，我们则称为“反投影”。 x 射线疆 、旋转样品台 图l1 2 为c t 技术的示意脚 “反投影”重构图像的思想为：断层平面中某一点的密度值可看作这一平面 内所有经过该点射线的投影之和( 或平均值) 。就是说。反投影是一个将投影数 据“均匀回抹”的过程在不同的投影线交点处，像素值由各个投影数掘叠加 得到。反投影得到的是某一个断层截面，最后通过软件将不同的断层截面组合得 到样品的三维视图。图l1 3 很直观的反映了“反投影”的过程。样品为两个相 隔的圆柱，利用反投影法，展示了分别由2 、4 、8 、1 6 个投影数据叠加而产生的 断层截面。由此可见，采集数据密度越大，即虬越大，得到的断层图像越清晰。 把高分辨率的x 射线成像技术与c t 技术结合起来，即添加相应的旋转样品 台和三维重构图像处理的软件，我们就可以得到高分辨率的物质内部三维分布。 第一章x 射蟪= 堆显徽庸盘技术 匡匡 图l _ 1 3 反投影重构示意例 经过数十年的发展，大型c t 装置已经获得巨大的成功并应用在医疗诊断、 工业探伤的领域。商用c t 装置利用c t 算法和x 射线投影探测技术相结合，可 阻对病人身体、工业部件的内部进行无损检测。然而常规c t 技术由于受到机械 精度、探测器大小、x 射线光源等条件的限制，分辨率一般都在m m 量级，不能 对微小物体进行成像。因此进行三维显微成像必须将c t 与已有的x 射线显微技 术相结合。从c t 原理上来说已有的各种x 射线显微技术都可以用来进行c t 重建只需要通过对被检测的物体进行旋转操作，记录各个角度下的二维图像即 可。从1 9 9 0 年以来，人们就开始在实验上研究x 射线显微技术与c t 相结合， 并取得了很好的成果唧7 ”。 x 射线显微技术与c t 技术相结台，不仅可以高空间分辨，而且可以立体的 展现物质的结构，所以x 射线三维显微技术发展迅猛。2 0 0 5 年美国的a d v a n c e d l i g h ts o u r c e ( 简称a l s ) 同步辐射光源利用软x 射线透射三维显微技术研究酵母 细胞的三维成像其分辨率达到了6 0n m ，如图1 1 4 为三维试验装置图删，利用该 装置可以清楚地观察到细胞核，细胞质、类脂滴、甚至液泡如图1 1 5 。通过一系 列细胞断层的图片重构得到物体的三维图像。发酵的酵母细胞不但是基因、分子 和生物化学分析的模型系统，而且还是蛋白新陈代谢研究的重要对象，这在医学 和生物学的研究上有着非凡的意义。 第一章x 射线= 维微像技术 a 细胞软 4 软x 射线透射三维显微实验装置圈 胞质 图i1 5 ( a ) 细胞壁透明的三维显示，( b ) 细胞璧半遗明的三维币 意( c ) 断层厚度为0 5 l l l i l 的断层像 在硬x 波段( 8 k e v 到1 l k e v ) ，在2 0 0 6 年的a p p l i e d p a y s l e s l e t t e r s 中，y i n 和他的同事报道了一种x 射线显微技术，它在物理和生命科学中具有构造三维 图像的广大潜力1 7 7 通过调节x 射线的能量他们获得了一系列特定化学元素 吸收的二维图像。然后他们运用x 线断层层析方法把从不同入射角度获得的 具有足够光谱分辨率的二维图像组合起来并以6 0 r i m 的空间分辨率观察到了样 第一ix 射线三* e 搬像拄木 品的内部结构和化学连接处如图l1 6 。实质上这一技术就是医学计算机辅助x 线断层层析技术的纳米量级的译本。 图l1 6 电脑芯片插栓的二= 维结构图 x 射线成像技术和c t 技术相结合为观察物质内部结构提供了前所未有的发 展前景。在生物学、医药治疗、材料学等上有了很大的应用前景。 1 4 本章小结 x 射线显微成像技术具有高分辨率、高穿透性等优点，不仅具有对厚样品进 行纳米分辨成像的潜力，而且成像机制多样( 如吸收、位相、荧光等) ，衬度来 源丰富，尤其是相位衬度成像在医学诊断、生物和材科研究等领域有显著的优越 性，极具推广应用的潜力，这些可能的应用包括：探测生物组织中的微细结构， 为乳腺癌或其他肿瘤的早期诊断提供依据：探测己加工的食物中的有害物质；观 察具有高分辨率和高村度的生物样品图像，推动生物医学和病理学的实验研究； 研究与石油开采和回收有关的液体在岩石和壤中的流动及观测和描述先进材 料如陶瓷和光纤的组成等。如图l1 7 是未来可能实现的三维相位成像在医学和 对癌症的临床诊断图。值得注意的是，在此装置中，不需要对病人旋转获取数据， 而是利用c t 扫描机。这样就可以是曝光时间减小到毫秒量级。 第一章x 射缱三维微成像技 s er e o s p i cp h a s e - c o a tr a s t m a g ed i s p l a y h a p 自c i n t e r f a c e b r 【a 日d 图1 1 7 未来可能实现的三维相位成像在医学和对癌症的临床诊断图 x 射线相位衬度成像与c t 技术相结台可实现对厚物质的内部三维结构的观 察，成为研究生物细胞功能、材料合成机理、环境科学以及考古科学等的重要手 段，在生物医学和纳米材料领域有广泛的应用。 第一章x 射线三维显微成像技术 参考文献 【1 】d s a y e r , j k i r z ，r f e d e re ta 1 s c i e n c e ，v 0 1 1 9 6 ，1 9 7 7 ，1 3 9 9 【2 】v l a d i m i s k y , n i s k a n d e r ，d a t t w o o de ta 1 r e v s c i i n s t r u m ，v 0 1 5 9 ，1 9 8 8 ，5 2 【3 】gs c h n e i d e r , b n i e m a n n ，e g u t t m a n ne ta 1 s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nn e w s ，v 0 1 8 , n o 3 ，19 8 5 ，19 【4 】p c c h e n g ，r f e d e r d m s h i n o z a k ie ta 1 n u c l i n s t m e t h p h y r e s ，v 0 1 a 2 4 6 ，1 9 8 6 ，6 6 8 【5 d g a b o r ：n a t u r e1 6 1 ( 1 9 4 8 ) 7 7 7 【6 s k i k u t a , s a o k i ，s k o s a k ia n dk k o h r a ：o p t c o m m u n 5 ( 19 7 2 ) 8 6 7 1 s a o k ia n ds k i k u t a ：j p n j a p p l p h y s 1 3 ( 1 9 7 4 ) 13 8 5 【8 】w l e i t e n b e r g e ra n da s n i g i r e v ：j a p p l p h y s 9 0 ( 2 0 0 1 ) 5 3 8 【9 】n w a t a n a b e ，h k o k o s u k a , t o h i g a s h i ，h t a k a n o ，a t a k e u c h i ，y s u z u k ia n ds a o k i ：j p h y s i v ( p a l s ) 1 0 4 ( 2 0 0 3 ) 5 5 i 【l o 】y k o h m u r a , t - s a k u r a i ，t i s h i k a w aa n dys u z u k i ：j a p p l p h y s 9 6 ( 2 0 0 4 ) 1 7 8 1 【11 a n d om ，h o s o y as x 2 r a yp h a s e 2 c o n t r a s tm i c r o s c o p y i n ：p r o c 6 t hi n t c o n f x r a yo p t i c sa n dm i c r o a n a l y s i s e d s s h i n o d ag ，k o h r ak ，i c h i n o k a w at t o k y o ：u n i v e r s i t yo ft o k y op r e s s ， 1 9 7 2 6 3 【1 2 】m o m o s ea ，t a k e d at l t a iye ta 1 n a t u r em e d i c i n e ，1 9 9 6 ，2 ：4 7 3 【1 3 】d a v i stj ，g a od ，g u r e y e vt ee ta 1 n a t u r e ，1 9 9 5 ，3 7 3 ：5 9 5 【14 】c h a p m a nd ，t h o m l i n s o n w , j o h n s t o nree ta 1 p h y s m e d b i 0 1 ，1 9 9 7 ，4 2 ：2 0 1 5 【1 5 】d a v i dc ，n e h a m m e rb ，s o l a khhe ta 1 a p p1 p h y s l e t t ，2 0 0 2 ，8 1 ：3 2 8 7 【1 6 】m o m o s ea ，k a w a m o t os ，k o y a m a ie ta 1 j p n j a p p1 p h y s ，2 0 0 3 ，4 2 ：l 8 6 6 【17 】s n i g i r e va ，s n i g i r e v ai ，k o h nv e ta 1 r e v s c i i n s t m m ，19 9 5 ，6 6 ：5 4 8 6 【1 8 w i l k i n ss w , g u r e y e vte ，g a od e ta 1 n a t u r e ，1 9 9 6 ，3 8 4 ：3 3 5 【1 9 】n u g e n tka ，g u r e y