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研究的吴令安研究员和长期研究X射线成像的陈黎明研究员,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X射线鬼成像(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从而将X射线强度衰减到单光子量级,将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,在弱光情况下利用鬼成像的方式可以获得比传统透射成像更高的衬噪比;在获得相同衬噪比的情况下,利用鬼成像的方法可以大幅降低成像过程中的辐射剂量。

由于具有超强的穿透性,X光可以轻易对样品实现非侵入式高分辨成像。但是,现有的普通成像方式如透射成像、相称成像等,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无法避免,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在成像过程中X射线辐射剂量的方法,但是成像质量和辐射损伤的矛盾始终无法解决。

鬼成像,即二阶强度关联成像,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。但是由于光学器件的限制,相关的研究主要集中在可见光波段,近两年才开始逐步推广到X射线波段。然而,现有的XGI都是基于大型同步辐射源对简单的一维物体进行长时间测量,并且成像效果较差,辐射剂量较高。若想推广应用,首先需要将X射线源小型轻便化,实现XGI的方法要具有一定的兼顾、普适性,以适用于各种样品。此外,若能在实验上证实低剂量成像的可行性,则对于生物医疗成像等领域具有重要意义。


图1 超低辐射XGI实验方案


图2 弱光下鬼成像结果(a)与透射成像结果(b)对比图; (c)不同曝光时间的衬噪比

相关结果以Tabletop x-ray ghost imaging with ultra-low radiation为题发表在2018年3月28日美国光学学会旗舰期刊Optica[5(4):374-377(2018)]上,博士生张艾昕和何雨航为论文共同第一作者,吴令安和陈黎明研究员作为共同通讯作者。该项工作发表后,很快便被Science在News in Depth栏目上重点报道,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D. Pelliccia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.”。美国麻省理工学院的J. H. Shapiro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、国家自然科学基金、中科院先导专项以及国防工业技术发展有关项目基金的支持。


图3 贝壳样品XGI图

文章链接:https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-4-374