同步辐射微束荧光CT及其应用新进展

同步辐射微束X射线荧光CT（SR-XFCMT）是将传统的X射线荧光分析法和计算机断层成像（CT）技术有机结合发展起来的一种先进的分析技术．SR-XFCMT可以给出元素在样品内部的分布而不需要对样品进行破坏性的处理，现已成为很多研究领域的有力工具．文章简要介绍了同步辐射微束荧光CT技术及其应用的最新进展，阐述了同步辐射微束X射线荧光CT的关键问题及其发展的前景.     

同步辐射X射线荧光光谱国内外研究进展

同步辐射光源是带电粒子在加速器储存环中以接近光速的速度运动时,沿轨道切线方向发射出的辐射,同步辐射X射线荧光分析（SR-XRF）是以同步辐射X射线作为激发光源的X荧光光谱分析技术。同步辐射X射线荧光分析包括了用于微区及微量元素分析的同步辐射XRF、用于表面及薄膜分析的同步辐射全反射X射线荧光（SR-TXRF）以及用于三维无损分析的同步辐射X射线荧光扫描和成像方法（如X射线荧光CT、X射线荧光全场成像、共聚焦X射线荧光和掠出射X射线荧光等）。X射线荧光光谱法通过测量元素的特征X射线发射波长或能量,识别元素,该方法首先通过测量发射的特征线强度,然后将该强度与元素浓度联系起来,对给定元素进行量化分析。X射线荧光光谱技术可以进行多元素同时分析,同步辐射X射线荧光谱亮度高,可调谐,相干性、准直性及偏振性好,可以用于分析样品元素的含量和空间分布。近些年来随着新光源技术的使用、分析软件的更新换代和定量分析方法的发展,对同步X射线荧光光谱分析产生了极大促进,采用新型X射线光学元件和探测器,能极大提升分辨率和探测效率,促进相关学科应用的发展。介绍了近几年来国内外同步辐射X射线荧光光谱分析技术及其应用发展状况,给出了国内外比较典型的同步辐射X射线荧光光谱分析光束线站最新技术方面的发展概况,并列举了一些典型应用成果,例如在生物医学、环境科学、地质考古、材料科学和物理及化学等领域的应用。对于本领域及相关领域的专家学者了解国内外同步辐射技术发展现状、应用研究成果具有一定的参考意义。     

上海光源X射线成像及其应用研究进展

作为具有国际先进水平的第三代同步辐射光源,上海光源的X射线亮度比普通X光管高12~16个量级,基于它的X射线成像具有高空间分辨、高衬度分辨和快时间分辨的特点,同步辐射X射线可对样品实现原位、无损、高分辨、三维和动态成像,而且可以实现相位衬度成像,从而将X射线成像的应用领域拓展到软组织、聚合物等低Z材料。自2009年正式向用户开放以来,上海光源已在生物医学、材料科学、古生物学、土壤学等领域取得了一大批重要研究成果。为更好地支持用户,上海光源X射线成像组在定量成像、CT成像、快速CT重构等成像方法学领域开展了较为全面、系统的研究,大幅提高了实验效率和对不同样品的适应性。本文简要介绍了上海光源X射线成像方法学发展及相关应用研究进展。     

基于单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像

X射线荧光成像是一种可无损获得样品内部元素空间分布信息的实验技术,可分为荧光mapping扫描成像与荧光CT成像,其空间分辨率由X射线聚焦束斑的大小决定。上海光源成像线站已建立X射线荧光成像系统并对用户开放,在多个领域取得较好的研究成果,该系统基于狭缝限束获取微束X射线,束斑为150μm,限制了该方法的广泛应用。椭球聚焦镜是反射面为椭球面的单次反射单毛细管光学元件,基于全反射原理,具有反射效率高、工作距离长、接收角宽、适用X射线能量范围宽、体积小等优点,已应用到X射线聚焦、全场纳米成像等领域。由于对面型精度的要求较高,制备椭球聚焦镜难度较大。为满足广大用户对微束荧光成像的需求,自行设计并成功研制了针对微束荧光成像系统的单毛细管椭球镜,并对其进行了X射线聚焦性能检测,结果显示可获得14μm聚焦光斑,焦点处增益可达255倍。基于自主研制的椭球镜,在上海光源BL13W搭建微束X射线荧光成像系统,并开展了微束荧光mapping成像与微束荧光CT实验研究:(1)对中风鼠脑切片的荧光mapping扫描成像,得到中风鼠脑中微量元素铜、铁、钙与锌的元素分布荧光光谱图;(2)对鼠脑及毛细管中浓度为0.5 mg·L~(-1)的标准砷溶液进行同步辐射微束X射线荧光CT成像,利用OSEM重构算法重构投影数据,获得了鼠脑中铜元素和毛细管中砷元素二维分布的切片图。两组实验表明,基于自行设计与研制的单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像系统,样品处的光通量密度增加,空间分辨率得到提高,单张荧光光谱的获取时间显著减少,同时也提高了系统的元素探测限。     

同步辐射硬x射线衍射增强成像新进展

对于相位衬度成像的实验方法研究及其在医学、材料等领域的应用研究已成为国际上研究的热点.衍射增强成像方法(DEI)作为其中的一种方法通过测量相位衬度的一阶导数而成像.在北京同步辐射装置(BSRF)4W1A束线上，对衍射增强成像方法进行了研究，并对一系列生物医学样品及材料样品成像，得到了非常清晰的相位衬度图像. 关键词： 衍射增强成像 同步辐射 硬x射线     

激光扫描光学断层成像系统的设计与应用

设计了基于LabVIEW控制的激光扫描光学断层成像系统,该系统以准直激光器为光源,高精度四维平移台为样本定位单元,光电倍增管为采集单元,实现了针对小鼠肺等小尺寸样本的三维成像.该系统空间分辨率优于20μm,成像视野大于1cm,通过对离体小鼠肺器官的自发荧光成像,展示了系统的操作流程、成像结果和初步生物应用,并探索了它对整个生物器官组织的成像能力.与传统生物医学光学成像方法相比,该方法具有光子收集效率高、成像样本尺寸大、系统操作简单等优点.     

封面说明

近几年 ,X射线位相衬度成像技术引起国际上材料、生物、医学等领域的广泛关注 ,也是国际同步辐射装置上研究的热点之一 .该方法建立在X射线折射效应基础上 ,可用于以轻元素为基的材料内部结构的成像研究 ,弥补传统X射线吸收成像的不足 .其独特优势是 :空间分辨率在 μm量级 ,增强弱吸收特征衬度 ,具有对细胞成像能力 ;在硬X射线范围内 ,辐射剂量远小于吸收衬度成像 .它为材料科学、生物医学等领域提供了一个新的重要手段 .北京同步辐射装置 (BSRF)于 2 0 0 1年 6月在国内首次开展了该方面研究 ,发展了同步辐射相位衬度X射线照相术 (成像…     

同步辐射X射线相衬显微CT在古生物学中的应用

X射线无损成像技术在古生物化石标本研究领域中应用十分广泛.近几年来,随着技术的不断革新,同步辐射X射线相衬显微断层成像技术(SRX-PC-μCT)也被引入到这一领域.由于同步辐射光源产生的硬X射线具有高亮度、高准直性和高空间相干性等优点,可以实现化石标本高分辨率(亚微米级)的无损三维显微成像,给古生物学的发展带来了新的机遇.文章简要回顾了用于古生物化石标本无损成像技术的发展历程,并在此基础L综述了同步辐射X射线断层显微成像技术在古生物学领域的应用现状和前景.     

影响同步辐射X射线螺旋显微CT的若干因素研究

同步辐射X射线是扁平光, 传统显微CT难以对长样品实现快速、高分辨、低剂量三维成像, 螺旋扫描的引入可以很好地解决这一难题. 本文采用数字模拟和实验的方法较为系统地研究了螺距、光斑竖直高度和180° 投影数对成像质量、速度的影响. 模拟结果表明, 在螺距不大于2的前提下, 180° 投影数增大, 误差减小, CT成像速度变慢; 光斑竖直高度增大, 速度加快; 螺距增大, 速度加快, 且误差在允许范围内; 选取合适的参数值使旋转平移比为整数, 误差最小. 同时, 优化参数并在上海光源实现螺旋显微CT, 从实验上验证了模拟结果. 研究表明, 通过优化各参数, 同步辐射螺旋显微CT可以实现快速高质量三维成像, 为以后的实际应用提供了依据.     

采样间隔和投影数对SR-XFMT重构质量的影响

同步辐射微束X射线荧光CT(SR-XFMT)是一种能无损、高空间分辨和高灵敏地探测样品内部元素含量和分布的新技术. 对SR-XFMT实验进行了计算机模拟, 讨论了采样间隔和投影数对重构质量的影响, 分析发现采样间隔对重构质量的影响比投影数的影响要大.     

X‐ray fluorescence computed tomography with absorption correction for biomedical samples

To obtain accurate distributions of trace elements in biomedical samples nondestructively, the problems on absorption correction and radiation dose are confronted in X‐ray fluorescence computed tomography. In this paper, the absorption‐corrected ordered subsets expectation maximization (AC‐OSEM) algorithm is developed to solve these problems. Simulation results show that the AC‐OSEM‐based X‐ray fluorescence computed tomography is accurate when only the incident X‐ray attenuation map is known and relatively fewer projections are provided. In addition, for the biomedical samples, the simplified approximate expression of the fluorescence attenuation map is practicable. Experiments on the biomedical samples were also carried out to evaluate the applicability of the AC‐OSEM algorithm to soft tissues, which demonstrates that the distribution of the trace element Fe in the pathological liver could be clearly revealed. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

First X-ray fluorescence CT experimental results at the SSRF X-ray imaging beamline

X-ray fluorescence CT is a non-destructive technique for detecting elemental composition and distribution inside a specimen. In this paper, the first experimental results of X-ray fluorescence CT obtained at the SSRF X-ray imaging beamline (BL13W1) are described. The test samples were investigated and the 2D elemental image was reconstructed using a filtered back-projection algorithm. In the sample the element Cd was observed. Up to now, the X-ray fluorescence CT could be carried out at the SSRF X-ray imaging beamline.     

First X-ray fluorescence CT experimental results at the SSRF X-ray imaging beamline

X-ray fluorescence CT is a non-destructive technique for detecting elemental composition and distribution inside a specimen. In this paper, the first experimental results of X-ray fluorescence CT obtained at the SSRF X-ray imaging beamline (BL13W1) are described. The test samples were investigated and the 2D elemental image was reconstructed using a filtered back-projection algorithm. In the sample the element Cd was observed. Up to now, the X-ray fluorescence CT could be carried out at the SSRF X-ray imaging beamline.     

Synchrotron radiation X-ray microfluorescence techniques and biological applications

Synchrotron X-ray imaging systems with fluorescence techniques was developed for biomedical researches in Brazilian Synchrotron Laboratory. An X-ray fluorescence microtomography system was implemented to analyse human prostate and breast samples and an X-ray microfluorescence system was implemented to study bone sites of human and animal samples with and without bone disorders.     

基于碳纳米管X射线源的生物医学成像

Although discovered more than 100 years ago, X-ray source technology has evolved rather slowly. The recent invention of the carbon nanotube (CNT) X-ray source technology holds great promise to revolutionize the field of biomedical X-ray imaging. CNT X-ray sources have been successfully adapted to several biomedical imaging applications including dynamic micro-CT of small animals and stationary breast tomosynthesis of breast cancers. Yet their more important biomedical imaging applications still lie ahead in the future, with the development of stationary multi-source CT as a noteworthy example.     

Esrf 10th users meeting

We explored diffraction enhanced imaging (DEI) in both planar and computed tomography (CT) modes for early detection of beta amyloid deposition, a hallmark feature in Alzheimer's disease (AD). Since amyloid plaques precede clinical symptoms by years, their early detection is of great interest. These findings were correlated with results from synchrotron infrared microspectroscopic imaging and X-ray fluorescence microscopy, to determine the secondary structure of the amyloid beta protein and metal concentration in the amyloid plaques, respectively.     

同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究

基于北京同步辐射装置(BSRF)开展了同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术(CT)研究.利用北京同步辐射的14 keV单色X射线作为光源,以高分辨能力的X射线胶片作为探测器,分别开展吸收衬度和同轴相位衬度成像的比较研究以及相位衬度计算机X射线断层摄影术研究.相位衬度计算机X射线断层摄影术重建采用Bronnikov提出的算法.结果显示,与传统的吸收衬度图像相比,相位衬度图像具有更好的衬度和更高的空间分辨力;实验获得人工样品和蝗虫的相位衬度计算机X射线断层摄影术重建图像.重建图像中可见样品的一些结构细节.实验结果表明,相位衬度X射线成像更适合于研究弱吸收或吸收差异很小的材料;利用北京同步辐射开展同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究是可行的.     

生物医学领域中超连续激光光谱技术的研究进展

超连续谱激光指的是当泵浦激光穿过特殊光波导时,一系列的非线性效应引起入射激光束的光谱展宽,从而输出宽光谱激光束。随着超快激光和光子晶体光纤技术的发展,利用超短脉冲在光子晶体光纤中的传播链产生相干的且亮度高的超连续谱激光成为了一种理想的白光源。自从超连续谱激光源投入应用以来,其应用领域越来越广。尤其在生物医学的细胞、血液等样品分析当中,荧光光谱学、流式细胞仪、共焦显微、光学相干层析等技术都是强有力的分析工具,在采用这些先进技术的科学仪器中,超连续谱激光源成为了一种主要光学部件。首先对超连续谱激光源的国际研究进展作了详细介绍,然后对超连续激光光谱技术在显微成像、流式细胞仪、荧光寿命成像显微、荧光共振能量转移、光学相干层析、共焦显微生物医学分析等生物医学领域中的发展及应用作了综合阐述。对超连续激光光谱技术在非接触式血液制品鉴别的需求、方案及研究进展进行了重点论述,包括覆盖400～2 000 nm光谱范围的光纤化轻型超连续谱激光光源研究;采用超连续谱激光光谱方法探索不同物种血液的种属特征;根据大数据的血液样品光谱特征元数据库分析建立数学模型,利用数学模型实现对血液样品种属光谱学判定;血液鉴别光谱分析便携式整机系统研发等。对超连续激光光谱技术在生物医学领域的应用前景作了展望。     

代数迭代重建算法在折射衬度CT中的应用

X射线折射衬度CT是一种基于相位衬度的断层成像技术,特别适合对由轻元素组成的生物、医学样品进行成像,可以观察到常规吸收衬度CT无法观察到的软组织内部微细结构,是一种具有巨大发展潜力的新成像方法.迭代重建算法和解析重建算法是计算机断层成像技术中并行发展的两种算法,虽然已经提出了几种X射线折射衬度CT的解析重建算法,可是还未见X射线折射衬度CT迭代重建算法的报道.研究了代数迭代重建算法在X射线折射衬度CT中的应用,比较分析了不同的投影数据排列方式对于折射衬度CT重建图像的影响,并对实验数据进行了图像重建,获得了满意的CT图像.研究结果表明,在相位衬度CT中,迭代重建算法相对于解析重建算法而言,能减少投影次数,降低曝光剂量,减少对生物样品的辐射损伤,在生物样品成像和投影数据不完整的情况下具有明显的优势. 关键词： 衍射增强成像 代数迭代算法 CT重建 同步辐射     

Preliminary experiment of fluorescent X-ray computed tomography to detect dual agents for biological study

The simultaneous observation of various information, such as blood flow, tissue metabolism and distribution of receptors, is quite important in order to understand the functional state of biomedical objects. The simultaneous detectability of contrast agents by fluorescent X-ray computed tomography (FXCT) with synchrotron radiation is examined in this study. The system consisted of a silicon (111) double-crystal monochromator, an X-ray slit system, a scanning table, a PIN diode, a highly purified germanium detector and an X-ray charge-coupled device (CCD) camera. The monochromatic X-ray beam energy was adjusted to 37.0 keV and collimated into a pencil beam of 1 x 1 mm. The fluorescent spectra of the K alpha lines for iodine and xenon were detected simultaneously. FXCT could image the distribution of both iodine and xenon agents in a phantom clearly and the contrast ratio was significantly better than that of transmission X-ray computed tomography images.