X射线相位衬度生物学成像研究

发布时间：2018-03-11 03:11

本文选题：相位衬度　切入点：X射线成像　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在过去的一个多世纪,利用物质吸收信息的X射线成像方法在医学诊断、材料科学、信息科学、生命科学以及各种工业领域中发挥着重要的作用。随着科学技术的更新,如今X射线成像研究在吸收衬度成像基础上,开展了很多基于相位衬度的成像理论和实验方法学研究。自上世纪九十年代,这一研究开始被报道以来,一直受到众多科研工作者的关注,特别是当X射线与物质相互作用时,低原子序数组成的轻元素样品发生的相位变化是吸收变化的几千到几万倍。这无疑在生物成像和医学诊断领域中有着重要的研究意义。在众多X射线相位衬度成像技术中取得巨大发展的技术主要有两种,分别是基于同步辐射光源的透射X射线泽尼克相衬成像和使用实验室光源的X射线光栅相位衬度成像。本文正是利用这两种成像技术开展了生物成像的理论研究和相关实验方法学的探索,根据X射线相位衬度成像系统的具体性质开拓生物学成像应用,主要包括完整细胞样品的纳米分辨三维结构成像和水果样品无损检测。细胞是生命活动的基本单位,对于完整细胞的纳米分辨三维成像的研究是目前细胞生物学领域中一项重要的课题。以花粉细胞成像为例,目前使用较多的可见光显微镜受限于空间分辨率难以观察亚细胞结构,而电子显微镜虽具有很高的空间分辨能力却难以穿透完整花粉细胞获得三维结构信息。本文阐述的X射线显微技术,无需机械切片,并以很高的空间分辨能力进行完整花粉细胞进行三维成像。在获取不同亚细胞器三维结构和分布情况时,具有快速的统计各细胞器的体积含量等优势。本文基于系统分辨力为30nm的北京同步辐射透射硬X射线泽尼克相衬显微镜,选取水稻花粉作为研究对象,开展X射线相位衬度成像理论和细胞三维成像实验方法学研究。合肥国家同步辐射实验室搭建了自主设计的X射线光栅相位衬度成像系统,并对这一系统从搭建到测试,从成像理论到实验验证开展一系列研究工作。不同于普遍开展的动物实验研究,本文依托X射线光栅相位衬度成像平台开展了水果无损检测应用实验研究,通过一次成像,同时获得水果的吸收、相位和散射三种不同的信息。三种信息互为补充,从不同角度反映了样品的内部结构信息,实现对样品的完整表征。通过对比三种信息图像和已有的动物组织成像研究,论证了 X射线光栅干涉仪成像在水果无损检测,乃至食品无损检测上巨大的应用价值。本论文的工作和创新主要如下:1.提出了一种快速分离样品相移信息分离新方法。本文先对X射线相位衬度成像技术从信息分离方法和实验技术方面进行了详细的研究和分析。并参照微分干涉仪成像原理,提出一种使用双频光栅用于透射显微镜的相移信息分离新方法。2.发展了透射X射线泽尼克相衬显微实验方法学。本文通过借鉴电子显微镜样品处理和软X射线细胞成像方法,探索了适合硬X射线泽尼克相衬细胞显微成像的方法,并在北京同步辐射装置硬X射线泽尼克相衬显微镜上首次完成35微米大小真核细胞纳米分辨三维成像。3.研究了花粉细胞纳米分辨三维细胞器含量和分布情况。利用三维重构片层准确的将水稻花粉的细胞壁、萌发孔、细胞核、液泡、油滴和线粒体等重要的亚细胞结构区分出来。统计并计算了花粉各细胞器的体积含量和相对表面积百分比,其中油滴所占细胞体积百分比最高,达9.98%。液泡和细胞核各占总体积的3.54%和2.25%,线粒体所占体积约2.37%。从实验结果上为后续硬X射线细胞三维成像摸索出一条有效的实验技术。4.开拓了 X射线光栅相位衬度成像的水果无损检测应用。大量的科学研究渴望利用X射线光栅相位衬度成像在医学诊断中做出重大突破,然而由于目前X射线光栅相位衬度成像对人体造成的辐射损伤超出可接受范围,使得这一应用处于瓶颈之中。本文对圣女果和梅干开展实验研究。通过对不同品种和状态水果开展成像实验,证实了 X射线光栅干涉仪对各组织密度差异较小的水果样品成像有明显的优势。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O434.19

【参考文献】