衍射增强成像的若干基础问题研究Ⅱ.衍射增强成像的边界效应和本底影响

在衍射增强成像原理的基础上,通过简单的实验模型分析了衍射增强成像(DEI)的过程与特点.在摇摆曲线顶部记录的峰位图像有很好的衬度,可以直接用于观察物体的内部结构.表观吸收图像的特点与传统X射线图像相似,但折射图像具有更好的边界衬度,而且腰位折射图像的成像效果比趾位折射图像的成像效果更好.同时也发现,分析晶体的本底信号会影响DEI成像的质量,但对折射图像没有任何影响,不会引起折射图像与实际物体之间的偏差.因而,折射图像用于辨别正常组织与病变组织、工业检测等方面具有很好的可信度.     

衍射增强成像的若干基础问题研究Ⅰ.衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系

为了探讨X射线衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系,利用北京同步辐射光源4W1A光束线引出的硬X射线对大块正常和癌变的乳腺组织进行成像研究.在摇摆曲线顶部位置获得的图像(峰位图像)和表观吸收图像的衬度随X射线能量的变化关系是相似的,说明峰位图像和表观吸收图像包含的主要衬度相似,即吸收衬度,而折射图像的衬度随X射线能量的增大总体上呈现下降趋势.综合来看,对于乳腺类的软组织来说,DEI成像在低能量端有很好的衬度,反映了衍射增强成像更适合于主要由轻元素组成的物体的成像.     

评价衍射增强成像空间分辨率的方法

衍射增强成像是X射线成像领域的前沿科技。相比于传统的吸收成像,衍射增强成像能大幅提高图像的衬度,尤其是对于由C、H、O、N等低原子序数元素构成的物体,这一特性使得衍射增强成像在医学诊断方面具有突出的应用价值。目前还没有系统评价衍射增强成像空间分辨率的方法。本文通过构建成像系统的调制传递函数模型,推导出衍射增强成像的空间分辨率计算公式,从而对衍射增强实验平台的整体性能进行综合评价。调制传递函数综合考虑了摇摆曲线几何、CCD像素尺寸、闪烁体荧光弥散效应对系统空间分辨率的固有影响,并详细分析了系统调制传递函数各因素对空间分辨率的影响规律,为衍射增强实验平台的物理设计及设备选型提供理论依据。     

同步辐射衍射增强成像的肝纤维化成像研究

本文根据硬V射线衍射增强成像(Diffraction enhanced imaging,DEI)原理,对由人血白蛋白诱导的大鼠肝纤维化模型进行了成像研究.实验在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility,BSRF)4W1A光束线形貌站完成.结果表明:正常及不同程度肝纤维化模型在DEI图像上差异显著,图像感兴趣区的光强分布及纹理测度也显示出这种差异.DEI成像为肝纤维化的诊断提供了一种潜在的影像学途径.     

上海光源X射线成像实验站相位衬度CT初步结果

X射线相位衬度CT能获得样品内部结构的边缘增强图像,可观察到传统X射线吸收CT无法观察到的生物软组织内部微细结构,具有巨大发展潜力.经初步调试,上海光源X射线成像实验站的8-72.5 keV单色X射线输出已能用于实验研究.本文在X射线成像实验站上开展生物样品(蝗虫)同轴X射线相位衬度CT研究,获得蝗虫样品的切片重构图像和三维重建图像.结果图像中,蝗虫样品的翅膀、表面纹理和内部组织分布情况清晰可见.     

利用同步辐射扭摆器光源研究X射线同轴轮廓成像质量

利用北京同步辐射光源研究了准平行束X射线同轴轮廓成像中影响成像质量的若干因素。结果表明,同步辐射光束在垂直方向能获得更好的边缘增强效果。尺寸较大的样品能获得更高的衬度。随着样品到探测器距离的增大,衬度增大,但存在一个最佳距离。高分辨率的探测器可以获得较高的衬度和较好的边界锐度。     

衍射增强成像中余弦曲线拟合方法的噪声分析

衍射增强成像是一种功能强大的相位衬度成像技术,其信息分离研究一直都是研究热点。提出了一种简便的信息分离方法——余弦曲线拟合法(Cosine Fitting Radiography,CFR),该方法具有简便、样品所受辐射剂量低等优点。利用同步辐射实验和蒙特卡罗仿真方法,从角度信号成像模型出发解释了此方法,同时从噪声传递角度分析了该方法的性能和给出定量的评价指标,建立了衍射增强成像和光栅微分干涉成像之间更直观的联系。对理解衍射增强成像系统的噪声行为和提高信噪比具有一定的参考意义。     

用于大尺寸样品的同步辐射硬X射线衍射增强成像方法研究

作为 X 射线相衬成像的方法之一,衍射增强成像方法由于能获得较高的信噪比及分辨率而引起了人们的研究兴趣。北京同步辐射装置(BSRF)形貌学实验站也开展了该方法的探索研究。此前的衍射增强成像方法中,当白光 X 射线光束横截面尺寸为 20 mm×10 mm 时,经过双晶单色器后最大只能获得横截面尺寸为20 mm×4 mm 的均匀单色 X 射线,从而造成成像区域减小。在对通常衍射增强成像光路排列分析的基础上,提出了一种新的光学排列几何并进行了衍射增强实验。应用新光学排列几何首次获得了与入射白光 X 射线尺寸相当的、大的成像光斑均匀区域,因而新光学排列几何更适合于大尺寸样品的研究工作。同时,该光学排列几何成像分辨率可以达到微米量级并且更方便于实验操作。     

沟槽型X射线两次衍射单色器研究

为获得高能量分辨率、高准直的同步辐射光,应用X射线衍射动力学原理,并依据上海光源小角散射线站光学参数,设计并加工了两次衍射的单晶硅(111)面沟槽型单色器。测量了两反射面平行度、斜切角及摇摆曲线,并对摇摆曲线的测量值进行了误差分析。理论模拟与实验数据对比分析显示:有效减小晶体加工过程中的残余应力导致的晶格畸变、改善晶体形貌、调整斜切角与增加衍射级次可降低晶体的衍射角宽,进而提高出射光的准直性和能量分辨率。经计算,在同步辐射光能量为10keV条件下,单晶硅(111)面沟槽型单色器的本征能量分辨率为1.452×10~(-4)。     

基于透镜耦合的X射线成像探测器闪烁体厚度对成像质量的影响

闪烁体是同步辐射X射线成像探测器的重要组成部分,它将入射X射线转换为可见光,再由可见光成像探测器接收成像。闪烁体的厚度对成像的空间分辨率、图像衬度有较大的影响,选取合适的厚度的闪烁体,与探测器物镜(数值孔径)及X射线能量等实验条件达到最理想的匹配,将有助于获得高质量的X射线成像结果。但目前上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)用户在开展X射线成像实验时,基本都未考虑到闪烁体厚度对成像质量影响的这个因素,难以获得最佳图像质量的实验结果。本文先根据理论的分辨率曲线预测了探测器各个镜头的闪烁体的最佳匹配厚度,并利用上海光源成像线站(BL13W1)配备的PCO2000探测器以及不同厚度的YAG闪烁体进行了实验验证,经过对实验结果的图像衬度进行分析,获得了探测器各个物镜镜头的最佳匹配闪烁体厚度,实验结果与理论预测值基本相符,这将为上海光源成像线站基于透镜耦合的X射线成像探测器的高效使用提供指导。     

北京同步辐射高重频超快X射线衍射实验方法发展

基于北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility,BSRF)发展了具有皮秒分辨率的高重复频率超快X射线衍射(Ultrafast X-ray Diffraction,UXRD)技术。在重复频率310 kHz下开展了SrRuO_3(SRO)/SrTiO_3(STO)薄膜样品的超快X射线衍射实验,获得了高质量实验数据,与重复频率为1 k Hz的实验相比,信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)有了明显的提高。但是,高重复频率泵浦激光也导致了静态加热问题更加明显,对此进行了分析,给出了实验设计指导意见。     

衍射增强成像技术在粘虫结构形态学研究中的初步应用

本文利用衍射增强峰位成像技术研究全变态类蛹期粘虫的发育,得到了清晰的粘虫蛹的内部结构的相衬图像,清楚地观察到蛹发育的整个过程以及粘虫从幼虫到成虫部分器官、组织内细微结构的形成与演变,成像分辨率可达到5μm.     

用于原位小角X射线测量的可变温液体样品槽的研制

根据小角X射线散射(Small angle X-ray scattering,SAXS)技术特点和北京同步辐射装置1W2A小角站光源参数,设计了一款用于液体样品原位变温测试的样品槽。该样品槽采用双面变温方式使样品温度整体均匀,涵盖5-95oC较宽温度范围;待测溶液厚度不仅可根据溶液组分进行调节,且在变温过程中保持恒定,利于提高数据质量。通过设计,实现了待测溶液和背底溶液同时变温和交替测量,节省了宝贵的同步辐射机时。ANSYS热分析表明,设备结构设计合理,样品处温度精度通过校正能得到进一步提高。通过检测聚酰胺-胺(Polyamidoamine,PAMAM)树形大分子结构随温度的变化,表明该样品槽满足液体原位变温SAXS测试要求。     

Investigation of OPET Performance Using GATE, a Geant4-Based Simulation Software

A combined optical positron emission tomography (OPET) system is capable of both optical and PET imaging in the same setting, and it can provide information/interpretation not possible in single-mode imaging. The scintillator array here serves the dual function of coupling the optical signal from bioluminescence/fluorescence to the photodetector and also of channeling optical scintillations from the gamma rays. We report simulation results of the PET part of OPET using GATE, a Geant4 simulation package. The purpose of this investigation is the definition of the geometric parameters of the OPET tomograph. OPET is composed of six detector blocks arranged in a hexagonal ring-shaped pattern with an inner radius of 15.6 mm. Each detector consists of a two-dimensional array of 8 × 8 scintillator crystals each measuring 2 × 2 × 10 mm(3). Monte Carlo simulations were performed using the GATE software to measure absolute sensitivity, depth of interaction, and spatial resolution for two ring configurations, with and without gantry rotations, two crystal materials, and several crystal lengths. Images were reconstructed with filtered backprojection after angular interleaving and transverse one-dimensional interpolation of the sinogram. We report absolute sensitivities nearly seven times that of the prototype microPET at the center of field of view and 2.0 mm tangential and 2.3 mm radial resolutions with gantry rotations up to an 8.0 mm radial offset. These performance parameters indicate that the imaging spatial resolution and sensitivity of the OPET system will be suitable for high-resolution and high-sensitivity small-animal PET imaging.     

Si(111)晶体峰值衍射效率的测量

提出了一种利用同步辐射光源测量晶体衍射效率的实验方法,通过对Si(111)标样衍射效率理论数据的分析与修正,验证了此方法的合理性和可靠性.指出光源的发散度与晶体的衍射效率密切相关.     

A setup for probing ultra-short soft X-ray diffraction by means of curved multilayer structures

We propose an experimental setup allowing for measurement of the whole diffraction curve of a Bragg peak by single pulse exposure where a bended sample is illuminated by a set of parallel pencil beams under locally different angles of incidence. The feasibility is demonstrated probing the 1st order Bragg peak of Ru/B₄C multilayers for photon energies close to Boron K-edge. The evaluated optical parameters recorded from bent sample under fixed sample setting equals those obtained from a flat sample using angular dispersive recording. Subsequently our scheme is appropriate for solid state experiment using at high intense femtosecond pulses provided by free-electron laser sources.     

同步辐射相衬成像对组织形态结构及相关抗原表达的影响

利用北京同步辐射装置（BSRF）4W1A光束线提供的硬X射线,以类同轴全息法、衍射增强法（Diffraction enhanced imaging,DEI）,对兔正常骨、骨缺损;小鼠正常肺、肺癌;大鼠正常肝、肝纤维化、肝硬化等固定样品进行了同步辐射硬X射线相衬成像观察.在此基础上,成像组织及空白对照组织均按常规方法制片后进行HE染色,在光学显微镜下观察组织细胞形态结构;采用免疫组织化学技术检测其相关抗原Ⅷ、S-100、FN、泛素的表达,并根据抗原表达强度进行半定量分析.结果显示,成像组与空白对照组的骨、软骨、肝、肺组织染色均匀,结构清晰,无细胞损伤;两组骨、肝、肺相关抗原表达无明显差异.表明在以同步辐射硬X射线相衬成像方法观察固定组织的过程中,不会对骨、软骨、肝、肺组织的形态结构及一些相关抗原表达造成损伤和影响.     

半导体Si中稀土元素杂质与中子辐照缺陷的互作用研究

用１４ＭｅＶ中子辐照掺有稀土元素杂质及未掺稀土元素杂质的ｎ型Ｓｉ，并用红外吸收谱仪和四探针法测量其参数在辐照前后的变化。红外吸收谱测量表明，在单晶硅中的杂质未形成新的自身成份的红外吸收峰，但电阻率测量表明，掺入稀土元素Ｅｒ和Ｇｄ的Ｓｉ电阻率虽都随着中子注入量的增大而增大，但Ｓｉ（Ｅｒ）和Ｓ（的电阻率比率的变化远远小于Ｓｉ的变化。