科研进展

陈黎明教授团队首次发现超低辐射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

鬼成像(又称量子关联成像)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。这样的成像方法不仅大大降低了对探测器的要求,也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,即实现超低辐射的X射线鬼成像(XGI)。

目前从事鬼成像研究的小组大多把工作重心放在了可见光波段上,一方面是由于可见光的光源在实验室更容易获得及操控,另一方面,可见光波段的光学器件也比较成熟。在原理上,如果采用分光方式来获得物平面的光场分布,由于X射线极短的波长,微小的扰动会对衍射线的强度及分布造成巨大影响。另外,XGI对于X射线源的相干性提出了极高要求,因此现有的结果基本都是基于大型同步辐射的,且成像结果很差,不能称为真正意义的“成像”。

近期,上海交通大学物理与天文学院激光等离子体实验室长期研究X射线源和成像的陈黎明教授团队,与中科院物理研究所吴令安研究员合作,在国际上首次利用便携式X射线源实现了对二维物体的超低剂量XGI。他们提出的基于振幅调制的XGI既不需要用于分光的衍射晶体,同时对于X射线源的相干性也没有要求。利用鬼成像特有的物光、参考光强度独立可控的特性,在对物体采集信号时,即使衰减X光到每像素单光子量级仍然可以得到清晰的图像。实验结果表明,与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。

 
利用CCD采集的成像结果(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CCD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
 
 
以上研究成果已在线发表于Optica 5, 374-377 (2018)。美国的《Science》期刊News栏目重点报道了该项工作,并被选为当期Science的Top Stories,其中多位领域专家对此进行了高度评价。
 
 
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