超低辐射X射线鬼成像

  X射线成像作为一种有效的诊断方法被广泛应用于人类社会生活和科学研究的方方面面。从普通便携式X射线管到实验室台面激光等离子体X射线源,再到大型同步辐射以及自由电子激光,现如今人们已经可以将X射线的脉宽、源尺寸、亮度等参数提升到一个前所未有的高度。但是,现有的成像方式如透视成像和相衬成像等,其本质都是通过累计光子信号以达到一定的图像衬度,因此高剂量导致的辐射伤害始终不可避免,在人体影像学上甚至有诱发癌变的风险。因此一直以来人们都在致力于寻找降低使用X射线过程中辐射剂量的方法,但是成像质量和辐射损伤的瓶颈始终无法突破。而鬼成像由于其独特的成像特性,很早就实现了可见光波段的弱光成像,带来了实现超低辐射的X射线成像的可能。
  鬼成像(又称为量子关联成像)作为一种间接成像的方式,通过预先测定照射在物体上的光场分布以及透过物体的总光强两者之间的关联可以复原物体的图像。与传统成像方式相比,鬼成像只需要一个没有空间分辨的单像素探测器测量不同散斑场透过物体过后的一系列光强值即可得到图像信号。这样的成像方法避免了光能量分配在面阵式CCD的每个像素上,从而提高了物光信号的强度,大大降低了散粒噪声对测量的影响。在物光信号大于散粒噪声的条件下,鬼成像的像质只与参考光场的性质与测量次数有关,而传统成像的像质则取决于光源的强度。成像原理上的不同使得利用鬼成像的方式比起传统成像而言更容易在低辐射方面取得巨大的突破。可见光波段的鬼成像可以通过分光的方式测量照射在物体平面的光场分布。但是在X射线波段并没有合适的分光器件,所以一直以来X射线鬼成像(XGI)难以实现。如果采用传统的基于衍射的X光分光,则需要超强的X射线源,基于相位调制的XGI对于源的相干性提出了较高的要求,因此现有实验结果基本上都是基于大型同步辐射源的长时间测量。但是,由于数据采集期间微小的机械振动会给实验结果带来巨大的干扰,因此成像效果极差,都不能称为真正意义上的“成像”。
  近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室长期从事量子成像的吴令安研究员、长期研究X射线成像的陈黎明研究员合作,分别指导博士生张艾昕、何雨航,在国际上首次利用便携式X射线源实现了对二维物体和真实生物体的超低剂量XGI。他们利用砂纸上随机分布的碳化硅颗粒对X射线光场进行振幅调制,预先记录物体平面的一套清晰的散斑图;采集物光时,降低每次采样的时间将X射线衰减到单光子量级,CCD的面积分作为桶探测器记录下总光强,最后通过关联运算成功还原出物体的像。实验结果表明:和传统透射成像方式相比,在弱光的情况下利用鬼成像的方式可以获得比传统透视成像更高的衬噪比(CNR);在获得相同CNR的情况下,利用鬼成像的方式可以大幅降低成像过程中的辐射剂量。该工作首次在实验上用一种简单的方式验证了超低辐射XGI的可行性,为后续的三维X射线鬼成像以及生物医疗上的实用化应用打下了坚实的基础。
  以上研究成果已在线发表于Optica 5, 374-377 (2018)。美国《科学》期刊的News栏目也重点报道了该项工作,并被选为当期的Top Stories。其中同领域专家对此进行了高度评价:如首次在同步辐射装置上实现XGI的Pelliccia教授对此项工作的评论是:“They have lowered the x-ray dose by about a million times compared with earlier attempts. The potential payback, if it works for medical images, is big.”。MIT的Shapiro教授也表示:“If you could reduce the amount of x-ray exposure that women suffer in getting mammograms, or in chest exams, that would be a big deal.”。
  该工作得到了科技部(2017YFB0503300)、国家自然科学基金(11334013,11721404,61675016)、中科院先导专项(XDB17030500)以及国防工业技术发展(JCKY2016601C005)有关项目基金的支持。
  文章链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000374
  Science报道:http://www.sciencemag.org/news/2018/03/x-ray-ghost-images-could-cut-radiation-doses?utm_campaign=news_daily_2018-03-28&et_rid=371751160&et_cid=1938361
图1 实验布局图(a)利用CCD1预记录参考散斑场(b)利用CCD2记录透过物体剩余的光强值;物体和CCD1处于同一平面(c)直通X射线的强度分布
图2 物体和图像 (a)“CAS”物体实拍图(b)利用鬼成像采样10000张重构出的“CAS”图像(c)贝壳实拍图(d)利用直接透射成像CCD1曝光10s得到的贝壳图像(e)利用鬼成像采样10000张重构出的贝壳图像
图3 利用CCD2的成像结果(a)利用鬼成像采样10000张重构出的图像(累计总曝光时间10ms);衬噪比为0.5;(b)利用直接透射成像CCD2曝光10ms得到的图像;衬噪比为0.13;(c)鬼成像和透射成像方式得到的图像衬噪比随总曝光时间变化图

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中国科学院物理研究所

物理所是以物理学基础研究与应用基础研究为主的多学科、综合性研究机构,研究方向以凝聚态物理为主,包括凝聚态物理、光学物理、原子分子物理、等离子体物理、软物质物理、凝聚态理论和计算物理等。战略定位是“面向国家战略需求,面向世界科技前沿”,发展目标是“建成国际一流物质科学研究基地”。

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