基于同步辐射的生物材料低剂量三维成像研究

发布时间：2020-06-30 21:02

【摘要】：1895年伦琴在研究阴极射线时发现了 X射线。X射线因其具有波长短、穿透能力强的特性,被广泛的应用于成像领域。X射线成像具有无损、高分辨等特征,而且可以实现厚样品的三维成像,弥补了传统光学显微镜成像以及电子显微成像的诸多不足,填补了二者之间的gap。目前,第三代同步辐射光源已经可以提供性能优越的软X射线和硬X射线。相比于普通光源,同步辐射具有准直性好,亮度高,光谱宽的特性,在物理学、材料学、生物学以及环境科学领域具有广泛的应用。同步辐射X射线成像是研究生物样品三维结构和组织的重要方法,然而生物样品的成像目前存在诸多亟待解决的问题。例如:如何降低实验过程中样品受到的辐射损伤;基于生物样品的X射线吸收系数较低的情况下,如何实现含水样品的x射线成像;如何选取合适的三维重建算法等。针对以上同步辐射X射线成像存在的问题,利用上海同步辐射光源研究平台,开展了细胞以及血管的三维成像研究,具体的内容为:(1)EST重建算法参数对重建效果的影响的研究。结合后续实验样品酵母菌的细胞形态,在MATLAB软件中建立三维重建样品模型并生成投影,根据等斜率迭代三维重建算法(EST)进行样品的三维重建,对不同数目投影的EST三维重建效果进行了研究。投影数目从6个到360个进行间隔选取,对这些不同数目的投影进行重建,重建后通过重建的结果与原始的模型进行对比,分析了重建投影数目对于重建误差的影响,探究了 missing wedge对于样品重建后三维结构形态的影响。对于等倾的不同数目投影的EST重建投影,随着投影数目增加并达到一定的数值时,重建结构与原始模型的误差保持恒定,在存在misssing wedge的情况下误差和伪影更为明显。投影的missing wedge会造成重建后样品的外形轮廓存在一定的变形,而且很难通过提高非missing wedge区域投影的数量来进行校正。此外,与缺失投影面相垂直的曲线结构将难以被分辨。该模拟为后续实验的重建工作提供了指导。(2)裂殖酵母细胞的三维低剂量扫描透射X射线成像(STXM)与扫描CDI(ptychography)三维重建的研究。结合STXM实验方法与等斜率投影重建算法,进行了分裂期裂殖酵母的低剂量高分辨的三维成像。投影的角度分布于58.0°至-72.6°之间,像素分辨率为30nm。样品经过EST重建后可以观察到其圆柱状的外形、畸变的分裂隔膜结构以及内部的孔洞结构。利用扫描透射成像方式和EST重建算法降低了样品的辐射剂量。基于STXM实验平台进行了酵母菌扫描CDI三维成像研究。根据STXM实验中选取的等倾投影角度进行扫描CDI成像,获取衍射数据后,对衍射图样进行相位恢复,重建后得到实空间像素分辨率为4.69nm的复投影矩阵,元素的模值和相位分别反映的是样品的对X射线吸收信息和电子密度信息。分别对模值投影和相位投影进行EST重建,并对二者重建的结果进行对比。实际重建结果表明,模值重建结果分辨率更高且反应了更多细节,而相位重建后样品结构边界较为清晰。(3)小鼠毛细血管的同步辐射X射线全场透射成像研究。利用同步辐射硬X射线,对小鼠的毛细血管进行了研究,在12keV能量下采集了 1080个投影,CT三维重建,实现了血管的三维亚微米级成像。实验中对血管进行了同轴相位衬度X射线成像,证明了 X射线弱吸收样品的相位衬度成像相对于吸收衬度成像的优势,并实现了单细胞围成毛细血管的三维成像。此外,对含水的血管进行了全场透射成像,含水血管的主动脉与周围的水环境衬度不明显,而毛细血管则重建效果较好,内部发现了类似“竹节”状结构,证明该种结构在原位含水的毛细血管中存在。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O434.1
【图文】：

照片,发现者,穿透性,无损伤

使用克鲁克斯高度真空管（ＣｒｏｏｋｅｓＴｕｂｅｓ）通高压电流研宄阴极射线时，发现了逡逑一种未知的射线。伦琴本人由于无法确定该射线的确切属性，将其命名为Ｘ射逡逑线［１］。同年，伦琴利用Ｘ射线拍摄了其夫人手掌的透射照片（图１．１），即世界逡逑首张Ｘ射线照片。该张照片中，整个手掌被射线穿透，骨骼组织清晰可见，成为逡逑了邋Ｘ射线临床医学应用的开端。伦琴也因发现Ｘ射线而被授予首届诺贝尔物理逡逑学奖，Ｘ射线也被称为伦琴射线。逡逑ａＢ＊逡逑图１．１邋Ｘ射线发现者伦琴（左）以及世界上首张Ｘ射线照片（右）逡逑Ｘ射线由于其波长短和极强穿透性的优势，可以用于样品的无损伤内部结构逡逑观测，例如：在工业生产过程中检测铸造、焊接产品的内部缺陷，在临床医学中逡逑诊疗肿瘤类疾病，以及通过晶体对Ｘ射线的衍射规律解析晶体的点阵结构等逡逑［２］［３］。Ｘ射线极大的推动了当代科学的发展，被认为是跨世纪的三大发现之一。逡逑然而Ｘ射线在大多数介质中折射率小于１，难以用光学元件进行聚焦，且成像后逡逑像差严重

同步辐射,光源,普通光源

逦山东大学硕士学位论文逡逑行，其俯视结构如图１．２所示。ＳＳＲＦ属于目前全球性能优越的中能光源，在第逡逑三代光源中光束能量位于世界第四。目前，国际上己经建成包括日本Ｓｐｒｉｎｇ－８、逡逑美国ＮＳＬＳ、法国的ＥＳＲＪＦ在内的几十个同步辐射光源［１１］。逡逑焌逡逑图１．２上海同步辐射光源［１０］逡逑１．２．２同步辐射Ｘ射线的特征逡逑第三代同步辐射光源可以提供性能稳定优越的软Ｘ射线和硬Ｘ射线。相比逡逑于普通光源，同步辐射的光通量可以高出几万倍，光谱也更加的平滑连续。目前，逡逑在物理学、表面化学与材料化学、材料学、生物学以及环境科学领域，同步辐射逡逑用于样品的分析与表征手段具有不可替代的作用［１２］［１３］。未来在医学领域，同逡逑步辐射也将提供普通光源无法实现的诊疗方法。逡逑相比于普通光源，同步辐射主要优势如下：逡逑１．光谱宽而且连续：同步辐射的覆盖了红外线、可见光、真空紫外、软Ｘ射逡逑线、硬Ｘ射线多个波段，其波长范围跨越的９个数量级。在强度相近的光源中，逡逑只有同步辐射能覆盖这样宽广的频谱范围。且同步辐射能量分辨率低于１Ｘ１０＇逡逑３逡

【参考文献】