[發明專利]具有三種定量成像機制的納米CT三維成像方法

有效

• 申請號: 201711292776.5
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108169257B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 朱佩平;何其利;廖可梁;袁清習;張凱;黃萬霞;朱中柱;王研
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: G01N23/046
• 分類號: G01N23/046
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 郭棟梁

本發明公開了一種具有三種定量成像機制的納米CT三維成像方法，包括以下步驟：首先根據角度信號響應成像機制，在X射線微分相位襯度顯微鏡像面拍攝樣品各轉角的谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像，其次根據三種定量成像機制，在X射線微分相位襯度顯微鏡物面上重建樣品各轉角的二維吸收襯度像、二維折射襯度像和二維散射襯度像，然后根據逆Radon變換，重建樣品的線性吸收系數三維像、線性散射系數三維像、折射率實部衰減率三維像和折射率實部衰減率導數三維像。通過上述方法可以對直徑5μm以上的完整細胞進行三維成像，分辨率達到納米量級。

技術領域

本發明涉及納米分辨X射線顯微鏡成像技術領域，尤其涉及具有三種定量成像機制的納米CT三維成像方法。

背景技術

X射線顯微鏡為核心的納米CT是繼光學顯微鏡和電子顯微鏡之后，人類科學技術發展的又一結晶，正在為人們打開一扇新的觀察微觀世界的窗戶，成為人類科學發展新的生長點。X射線與可見光一樣，成像機制多樣，襯度來源豐富，如吸收、相移、折射、散射、熒光等信息都可用來觀察分析多種物理變化、化學反應和納米結構。

X射線納米CT技術對多個學科領域的發展產生了強大的推動作用，然而，仍然遠不能滿足科學研究在性能和使用便利等方面日益增長的迫切需求。

例如，“水窗”軟X射線對蛋白質等生物樣品的吸收系數比水的吸收系數高一個數量級，可為含水生物樣品成像提供天然的襯度增強機制，可是以“水窗”軟X射線顯微鏡為核心的納米CT受到兩方面的限制。一方面，“水窗”軟X射線的穿透力較弱，當“水窗”軟X射線對直徑大于10μm的細胞成像時，其透射光強不到入射光強的5％；另一方面，“水窗”軟X射線顯微鏡沒有足夠的景深，當分辨率為60nm時，“水窗”軟X射線顯微鏡約有5μm的景深，而當分辨率為50nm時，景深縮短為3.4μm，當分辨率為30nm時，景深進一步縮短為1.3μm。由此可知，“水窗”軟X射線顯微鏡不適合對直徑5μm以上的完整細胞進行納米分辨三維成像，而大部分哺乳動物細胞的直徑約為10μm，腫瘤細胞尺寸通常都大于10μm，肝細胞直徑甚至達到20～30μm。

又如，硬X射線的穿透力較強，硬X射線顯微鏡具有足夠的景深，可是硬X射線顯微鏡一直沒有解決相位襯度定量化難題，致使以硬X射線顯微鏡為核心的納米CT難以在輕元素材料和生物樣品的三維成像中有所作為。在厚樣品三維成像時，相位襯度定量化遇到兩方面的困難，首先相位襯度是樣品厚度的周期函數，從周期振蕩的相位襯度中定量解出相位是困難之一；其次吸收襯度是樣品厚度的單調函數，從吸收襯度和相位襯度混在一起的成像襯度中定量分離出吸收和相位各自的貢獻是困難之二。國際上有人提出利用微分相位襯度實現定量化的研究思路。2002年B.Kaulich等人提出利用錯位雙波帶片透鏡成像獲得微分相位襯度，2003年E.Fabrizio和2011年T.Nakamura等人提出利用特殊設計的雙焦點衍射光學元件來獲得微分相位襯度。雙焦點方法有兩個缺點，首先在雙焦點方向成像分辨率會降低，其次雙焦點元件的衍射效率都不高。2009年Momose等人把光柵引入日本SPring-8同步輻射光源BL20XU光束線上的X射線顯微鏡，利用Talbot光柵干涉儀獲得了輕元素樣品的孿生相位像。該方法的優點是能獲得輕元素樣品的相位像，不足之處在于孿生相位像錯位重疊在一起，需要繁瑣的圖像處理，才能從中分離出不受孿生像干擾的相位像。相位襯度定量化難題長期以來困擾著納米CT研究領域。

發明內容

本發明的目的提供一種具有三種定量成像機制的納米CT三維成像方法，用以解決現有納米CT在景深和相位襯度定量化方面遇到的難題，為直徑5μm以上的完整細胞進行納米分辨三維成像提供解決方案。

本發明提供的一種具有三種定量成像機制的納米CT三維成像方法，包括以下步驟：

根據三種定量成像機制，在X射線微分相位襯度顯微鏡物面上重建樣品各轉角的二維吸收襯度像、二維折射襯度像和二維散射襯度像，其中，

在X射線微分相位襯度顯微鏡物面上重建樣品各轉角的二維吸收襯度像表達為：