上海光源X射線成像及其應(yīng)用研究進(jìn)展

肖體喬 謝紅蘭 鄧彪 杜國浩 陳榮昌

1 引言

1895年11月8日，德國著名物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴在進(jìn)行陰極射線的實驗時，觀察到放在射線管附近涂有氰亞鉑酸鋇的屏上發(fā)出的微光，即為現(xiàn)在廣為人知的X射線或倫琴射線。X射線被發(fā)現(xiàn)后，首先被用到醫(yī)學(xué)診斷上，第2年就提出了用于治療的設(shè)想。由于X射線的波長比可見光短得多，利用它成像可以達(dá)到的理論分辨率要比可見光高幾個量級；另外，X射線具有很強的穿透性，可以對非透明的厚樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損成像，這在醫(yī)療診斷等無損檢測領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。X射線醫(yī)療影像技術(shù)以及其他相關(guān)X射線成像技術(shù)迅速地發(fā)展起來，已成為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及材料科學(xué)中不可或缺的診斷工具。

近年來，隨著第三代同步輻射（SR）光源的廣泛使用，X射線光源的特性得到了極大的改善，這不僅使傳統(tǒng)的成像方法得到了顯著改善，而且為新的X射線成像方法的誕生創(chuàng)造了條件。SR豐富了X射線成像的襯度機(jī)制，除傳統(tǒng)的吸收襯度外，還有相位襯度、化學(xué)襯度、元素襯度、磁二色襯度等，大幅拓展了X射線成像的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、考古、地球物理、納米科學(xué)和電子工業(yè)等?；谙辔灰r度的相襯成像方法主要有干涉法、衍射增強法、光柵微分法和同軸法，他們測定的信息分別為相位、相位一階微分、相位一階微分和相位二階微分（拉普拉斯變化）。對于弱吸收樣品，相襯成像方法能獲得比傳統(tǒng)吸收成像高很多的襯度，而且基于相襯成像方法的定量信息提取技術(shù)也得到了廣泛的研究。第三代同步輻射的高亮度和高相干性，使得動態(tài)研究成為可能，如2003年Science第一次報道了昆蟲的呼吸全過程，時間分辨可達(dá)幾個毫秒。另一個重要成像手段顯微斷層成像（μCT）也得到飛速的發(fā)展，三維空間分辨率可達(dá)微米乃至納米量級。SR-μCT由于同步輻射光源具有高單色性，能消除普通X光管CT的射線硬化效應(yīng)，更精確地定量重建出樣品的線性吸收系數(shù)；同時能在高分辨率下實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集等。第三代同步輻射的插入件輻射是目前SR-μCT的理想光源，單色X射線的使用還有助于消除贗像，同時減小樣品的輻射劑量，這對生物醫(yī)學(xué)樣品研究顯得尤為重要。SR-μCT現(xiàn)已成為中能或高能第三代同步輻射裝置上的重點發(fā)展技術(shù)，近些年高時間分辨的SR-μCT也得到了廣泛的關(guān)注。X射線成像已成為同步輻射領(lǐng)域的一項主流技術(shù)，國際上如APS、Spring8、ESRF、SLS和國內(nèi)的北京光源、合肥同步輻射和上海光源等同步輻射裝置都建有專門用于X射線成像的線站。

上海同步輻射裝置（簡稱上海光源：SSRF）是一臺第三代中能同步輻射裝置，它是迄今為止我國最大的大科學(xué)裝置，在科學(xué)界和工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用價值。X射線成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站（BL13W1）是上海光源首批建造的7條光束線站之一。該線站于2009年5月6號建成并向用戶開放。截至2012年底，BL13W1已經(jīng)向用戶提供超過13900 h的實驗機(jī)時，執(zhí)行了470份實驗申請，用戶實驗超過2000人次，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文110多篇。線站基于原位動態(tài)成像和顯微CT等成像手段，已在生物醫(yī)學(xué)、材料、古生物、考古、土壤等眾多研究領(lǐng)域取得了顯著成果。動態(tài)成像方面，利用微米分辨X射線動態(tài)成像研究動物腦血管灌注情況，解決了Netrin-1基因治療腦缺血時基因功能性難題；利用X射線的強穿透性和相位襯度，實現(xiàn)了合金凝固過程中枝晶生長過程的動態(tài)觀測，解決了以往工藝條件改變研究合金性能的黑箱問題。顯微CT應(yīng)用方面，腫瘤三維定量成像信息為TIEG1基因抑制微米級腫瘤新生血管的形成提供了直接依據(jù)；可原位研究多孔磷酸鈣/鎂等生物醫(yī)學(xué)工程材料對骨缺損修復(fù)的促進(jìn)作用及其自身的可降解性；利用相襯顯微CT驗證了皮膚膠原蛋白模板的假說。結(jié)合動態(tài)成像和顯微CT技術(shù)，實現(xiàn)了微波陶瓷燒結(jié)過程的動態(tài)觀測。在古生物領(lǐng)域，同步輻射X射線相襯顯微CT解決了透射電鏡只能觀測化石表面信息的不足，實現(xiàn)了古生物胚胎、早期節(jié)肢動物等內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的亞微米分辨成像。此外，在土壤孔隙的三維團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，頁巖氣（油）顯微結(jié)構(gòu)定量分析，發(fā)動機(jī)燃油噴霧動態(tài)成像等方面也取得了重要研究成果。為滿足不同學(xué)科領(lǐng)域用戶研究的需求，上海光源X射線成像組在X射線成像方法學(xué)研究方面進(jìn)行了持續(xù)的研究和探索，在X射線定量成像、顯微CT成像、CT快速重構(gòu)、三維CT數(shù)據(jù)定量分析等方面取得了一系列的成果。本文將從成像方法學(xué)及相關(guān)應(yīng)用兩個方面，介紹上海光源X射線成像組的最新研究進(jìn)展。

2 方法學(xué)研究

上海光源X射線成像組開展了多種X射線成像方法學(xué)研究，主要有同軸相位襯度成像（IL-PCI）相位恢復(fù)研究、X射線熒光CT、相干X射線衍射成像、X射線螺旋顯微CT、X射線K邊減影成像和CT快速重建軟件開發(fā)。

2.1 同軸相位襯度成像相位恢復(fù)研究

IL-PCI利用X射線透過樣品的相位信息對樣品成像，該方法具有裝置簡單、對光源相干性要求低、成像直觀且分辨率高等優(yōu)點。IL-PCI方法特別適合對生物軟組織、高分子聚合材料等低Z 樣品成像，自問世以來得到了快速發(fā)展，尤其在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、植物學(xué)、考古學(xué)等諸多領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展空間。IL-PCI雖然是利用樣品的相位信息成像，但如不經(jīng)過相位恢復(fù)技術(shù)，IL-PCI得到的是樣品的邊緣增強圖像，只能用于定性研究。相位恢復(fù)能從IL-PCI采集到的圖像重構(gòu)出樣品相位信息并用于定量研究，受到研究人員的廣泛關(guān)注。IL-PCI結(jié)合CT技術(shù)，即X射線同軸相位襯度CT（IL-PCT），能夠獲得生物軟組織、聚合物、纖維混合物等低Z 樣品的內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)，是一種無損的三維立體檢測方法。上海光源X射線成像組對IL-PCI單距相位恢復(fù)算法和多距相位恢復(fù)算法都開展了相關(guān)研究。

2.1.1 基于單幅成像的相位恢復(fù)算法

一般來說，相位恢復(fù)方法需要至少兩個不同物像距的IL-PCT投影數(shù)據(jù)，這樣增加了數(shù)據(jù)采集時間及處理難度，更重要的是增加了樣品所受到的輻射劑量。對于生物活體樣品，樣品所受的輻射劑量是直接影響實驗可行性的參數(shù)，輻射劑量越小對生物活體樣品實驗越有利。如果能采用單距ILPCT數(shù)據(jù)進(jìn)行相位恢復(fù)，將會解決上述問題。在單距相位恢復(fù)算法中，由Bronnikov算法改進(jìn)而來modified Bronnikov algorithm（MBA）算法簡單直接，結(jié)合拉東變換和濾波反投影原理，可以直接從單距IL-PCT數(shù)據(jù)中重建樣品的三維相位信息。但是，其吸收信息校正因子α計算是通過模擬和實驗相結(jié)合來確定的，即每換個樣品就要重新確定α，相對比較麻煩。由此，上海光源X射線成像組將低Z元素樣品具有的相位-吸收二重性（PAD）與MBA算法相結(jié)合，通過模擬和實驗相結(jié)合，提出了一個簡單的吸收信息校正因子α＝1/πελz，該因子同時考慮IL-PCT的波長λ、物像距z和樣品相位-吸收二重性ε（ε=δ/β，δ為相位因子，β為吸收因子）的影響。相位-吸收二重性MBA算法（PAD-MBA）即為采用吸收信息校正因子α的MBA算法。

通過實驗數(shù)據(jù)驗證PAD-MBA算法，樣品為多聚物混合樣品，由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）棒材（直徑Φ≈1 mm，長度L＝2 mm）、交聯(lián)聚苯乙烯（polystyrene）棒材（Φ≈1.6 mm）和尼龍（nylon）棒材（Φ≈1.6 mm）組成。實驗參數(shù)為：光子能量為18 keV，成像距離為0.2 m，CCD探測器有效像素尺寸為3.7 μm。

2.1.2 基于兩幅圖像的相位恢復(fù)算法

單距離相位恢復(fù)方法由于其算法穩(wěn)定性高，實驗與數(shù)據(jù)處理快捷方便等優(yōu)點已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而，當(dāng)將它應(yīng)用于如骨頭、血管等復(fù)雜且精度要求高的樣品時，就會表現(xiàn)出一定的局限性。相反，多距離相位恢復(fù)方法可以顯著提高相位恢復(fù)精度，但也相應(yīng)地增大了樣品所受的輻射劑量以及算法復(fù)雜度和數(shù)據(jù)處理難度。相比于這些方法，兩距離相位恢復(fù)是一種很好的折中方法，它不僅能適當(dāng)提高定量恢復(fù)精度，而且可以有效減小數(shù)據(jù)處理時間和輻射劑量。然而，兩個成像距離z1和z2的優(yōu)化選擇是決定兩距離相位恢復(fù)方法使用效率和恢復(fù)精度的關(guān)鍵因素。

基于Born近似相位恢復(fù)算法，選用具有均勻組分和密度的尼龍纖維作為樣品，光子能量15 keV，進(jìn)行系統(tǒng)地模擬研究和實驗研究。實驗在上海光源BL13W1線站進(jìn)行。通過引入均方根誤差（RMSE）和頻譜相關(guān)度（SCD）來分別衡量相位恢復(fù)精度和兩相襯像之間的頻譜相似性。在0～600 cm之間以步長10 cm采集多幅相襯像，然后從中選擇兩個距離進(jìn)行相位恢復(fù)，根據(jù)RMSE和SCD指標(biāo)總結(jié)出達(dá)到最高精度的兩距離優(yōu)化選擇方法。

結(jié)果顯示，固定z1不變，在z2＝3z1時RMSE最小，精度最高，距離z1分別為50、100、120、150 cm。此時兩幅相襯像的SCD存在極大值，并隨著距離z2的增大呈現(xiàn)出經(jīng)典的阻尼振蕩變化。除此之外，距離z1的選擇也會對恢復(fù)結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。不同z1時RMSE大小和SCD振蕩趨勢不同。當(dāng)樣品尺寸、X射線波長以及探測器分辨率等參數(shù)確定后，就可以確定一個最優(yōu)化的距離z1。這就說明，用于相位恢復(fù)的兩幅相襯像之間不僅要具有良好的頻譜相關(guān)性，而且要互補（頻域內(nèi)互補以覆蓋更多的頻域成分）以獲取更高的相位恢復(fù)精度。兩距離相位恢復(fù)優(yōu)化方法的RMSE小于0.08，在輻射劑量和恢復(fù)精度兩方面取得很好的平衡。

2.2 X射線熒光CT

基于同步輻射的X射線熒光CT（XFCT）是和透射X射線CT互補的一種發(fā)射型CT成像技術(shù)，通過測量元素的特征X射線熒光，結(jié)合X射線CT重建算法，重建非放射性元素（如銅、鐵等）在樣品內(nèi)部的三維分布，具有高空間分辨和高靈敏度等特點，是一種無損的元素成像技術(shù)。國際上主要同步輻射裝置如ESRF、APS、Spring-8、NSLS等都建有X射線熒光CT成像系統(tǒng)，目前該方法已應(yīng)用于多個領(lǐng)域的研究，并取得了較好的研究成果。上海光源BL13W1線站已在2009年建立X射線熒光CT實驗裝置，并對用戶開放。

目前X射線熒光CT最大的問題就是數(shù)據(jù)采集速度較慢，為了實現(xiàn)快速XFCT成像，本課題組從圖像重建角度尋找一種理想的XFCT成像算法，既具有高的圖像重建質(zhì)量，又可以減少對投影數(shù)據(jù)量的需求。受單光子發(fā)射計算機(jī)斷層成像術(shù)（SPECT）重建算法相關(guān)研究結(jié)果的啟發(fā)，將有序子集期望值最大化（OSEM）算法應(yīng)用到了XFCT 重建中。OSEM是正電子發(fā)射斷層成像術(shù)（PET）和SPECT中常見的重建算法，它以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，具有很高的重建精度，又可以在采樣數(shù)據(jù)不滿足奈奎斯特采樣條件時，給出比較理想的重建結(jié)果。以SD大鼠硬化肝為樣品，對其內(nèi)部的Zn元素分布進(jìn)行了重建。實驗時入射單色光能量為12 keV，樣品處光斑大小為100 μm×500 μm，單幅熒光譜獲取時間為3 s。角度采樣間隔分別為2°和6°，掃描范圍為0°～180°，固定投影角下，平動數(shù)目為23次。Δθ＝6°時的數(shù)據(jù)采集時間約為Δθ＝2°時的1/3。結(jié)果表明，在相同投影條件時，OSEM算法比濾波反投影重建（FBP）算法具有偽影小、不易發(fā)生模糊現(xiàn)象并且受樣品吸收效應(yīng)影響小的優(yōu)點。隨著角度采樣間隔Δθ的增加，OSEM算法的圖像質(zhì)量下降比FBP慢，因此，OSEM算法是一種理想的XFCT重建算法，它可以在保持較理想圖像重建精度的同時大大減少所需的投影數(shù)據(jù)量，有效地縮短了XFCT成像過程，有助于進(jìn)一步實現(xiàn)快速XFCT成像。

2.3 相干X射線衍射成像

相干X射線衍射成像（CDI）是一種新型衍射顯微術(shù)，它可以獲得非結(jié)晶樣品的高分辨率三維結(jié)構(gòu)信息。CDI方法利用“過采樣”采集樣品的遠(yuǎn)場相干衍射圖樣，結(jié)合相位重建迭代算法重建物空間樣品信息，能夠?qū)崿F(xiàn)晶體或者非晶樣品的高分辨成像（目前最好的分辨率可達(dá)到5 nm左右），而且可以獲得樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息。CDI方法另外一個獨特優(yōu)勢是可以得到樣品內(nèi)部絕對電子密度信息，進(jìn)而得到質(zhì)量密度的三維分布。

CDI的一個關(guān)鍵步驟是相位重建，而相位重建的收斂速度和精度受到若干因素的影響，比如過采樣比、邊界約束條件、信噪比等。利用混合輸入輸出算法（HIO），通過對不同過采樣比情況下重建過程收斂曲線的分析，發(fā)現(xiàn)存在一個最有利于相位重建的過采樣比區(qū)域，從收斂速度上可以容易地判斷，最佳過采樣比區(qū)域在3～7之間，這為相干X射線衍射成像實驗及后續(xù)重建中過采樣比的選擇提供了參考。實驗中往往會選擇較大的過采樣比，相位重建之前通過像素融合以提高衍射圖樣的信噪比，同時控制融合的程度將過采樣比調(diào)整到最優(yōu)化區(qū)域，以獲得最快的收斂速度。

對于衍射圖樣被大強度噪聲污染情況下的降噪與重建問題，包括對隨機(jī)噪聲、椒鹽噪聲以及混合噪聲的降噪及重建問題，通過模擬研究表明，利用傳統(tǒng)的降噪方法效果不佳甚至失效。通過研究不同噪聲的特點，改進(jìn)了原有的降噪方法，找到了適合相干X射線衍射成像對大強度噪聲降噪的有效方法。以隨機(jī)噪聲為例，傳統(tǒng)的降噪方法是直接減去暗場背景，但是由于噪聲的隨機(jī)性，直接減背景后部分像素點的誤差反而增大，最終導(dǎo)致相位重建失敗。而采用減去背景均值的方法，可以更有效地降低噪聲的影響，提高相位重建的精度。

針對傳統(tǒng)HIO算法中靜態(tài)邊界約束條件會導(dǎo)致重建結(jié)果不完整及出現(xiàn)孿生像的問題，采用臨時邊界約束及動態(tài)邊界約束條件有效地避免了以上兩種問題的出現(xiàn)。另外采用邊界自動尋找算法避免了傳統(tǒng)HIO算法需要已知邊界條件的缺點，該算法不需要給定邊界約束條件，并且在迭代過程中可以實現(xiàn)物空間較“緊”邊界的自動尋找，加快相位重建的收斂速度并提高重建精度。迭代初始的邊界約束為物空間的自相關(guān)函數(shù)（頻域空間強度的逆傅里葉變換），隨著迭代次數(shù)的增加，邊界約束逐漸向物體的真實邊界收緊，最終得到較為精確的物空間邊界。

2.4 螺旋顯微CT

同步輻射X射線是扁平光，上海同步輻射光源BL13W1實驗站X射線光斑寬度最大為45 mm×5 mm，豎直尺寸遠(yuǎn)小于水平尺寸。對于長度超出光斑豎直尺度的樣品，X射線光束不能一次覆蓋整個樣品，通常需要采用SR-μCT對長樣品逐層掃描并拼接實現(xiàn)三維成像，速度慢而且成像精度差。同步輻射X射線螺旋顯微CT（SRS-μCT）將螺旋掃描引入到SR-μCT中，可有效地解決這一問題，實現(xiàn)連續(xù)快速容積掃描，縮短數(shù)據(jù)采集時間、減少輻射劑量和運動偽影，避免因探測器或樣品臺移動等造成的拼接不連續(xù)，實現(xiàn)長樣品的快速、三維、高分辨成像，大幅提高小動物等狹長樣品整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維無損成像研究的能力。

SRS-μCT實驗設(shè)備搭建，重建算法編寫，并通過理論模擬系統(tǒng)研究各實驗參數(shù)對成像質(zhì)量和速度的影響，對選取合適的實驗參數(shù)有重要的指導(dǎo)意義。SRS-μCT實驗設(shè)備搭建圖中，X射線保持不動，樣品臺包括旋轉(zhuǎn)臺和升降臺。旋轉(zhuǎn)臺作勻速圓周運動，同時升降臺作勻速上升運動，實現(xiàn)X射線對樣品的螺旋掃描，CCD探測器在樣品后面連續(xù)采集投影數(shù)據(jù)。利用采集的螺旋CT投影數(shù)據(jù)，可重建切片及三維結(jié)構(gòu)。SRS-μCT重建的主要思想是先將投影數(shù)據(jù)縱向重排得到每個切片正弦圖，再對不同的切片正弦圖進(jìn)行相應(yīng)的初始視角轉(zhuǎn)換，最后實施濾波反投影重建。

通過數(shù)值模擬不同螺距（樣品旋轉(zhuǎn)360°時樣品上升或下降距離同光斑豎直寬度的比值）、光斑豎直寬度和180°投影數(shù)的SRS-μCT實驗過程并重建，系統(tǒng)研究這些參數(shù)對成像質(zhì)量、速度的影響。模擬結(jié)果表明，在螺距不大于2的前提下，180°投影數(shù)增大，誤差減小，CT成像速度變慢；光斑豎直寬度增大，速度加快；螺距增大，速度加快，且誤差在允許范圍內(nèi)；選取合適的參數(shù)值使旋轉(zhuǎn)平移比為整數(shù)，誤差最小。

SRS-μCT實驗中選取竹子作為樣品，選取光子能量21 keV，樣品到探測器的距離為12 cm，180°投影數(shù)為600。光斑豎直寬度為3.86 mm。根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化實驗參數(shù)，選取樣品上升速度為6 mm/step，轉(zhuǎn)動角度步長為0.3°/step，對應(yīng)的螺距為1.8657，掃描整個樣品一共采集2400個投影。整個樣品螺旋掃描時間為4 h，而對于同一樣品，普通CT則至少分3次掃描，每次掃描之前需平移樣品及矯軸等復(fù)雜工作，耗時大于4 h，且樣品越長，相對普通CT掃描節(jié)省的時間就越多。竹子樣品的SRS-μCT重構(gòu)三維像及若干截面圖，整個結(jié)構(gòu)的長度為10.54 mm，為光斑豎直寬度的2.73倍，從切片中可以看出竹子內(nèi)部細(xì)節(jié)。實驗結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的SRS-μCT能對長樣品實現(xiàn)快速、高分辨、三維成像。

3 應(yīng)用研究

上海光源X射線成像組開展了多個領(lǐng)域的X射線成像應(yīng)用研究，主要有中藥材顯微特征結(jié)構(gòu)鑒定、藥劑粉體三維結(jié)構(gòu)研究、木竹材無損檢測研究、新型骨修復(fù)支架成骨作用的定量評價和材料的定量結(jié)構(gòu)表征研究。

3.1 中藥材顯微特征結(jié)構(gòu)

中藥顯微鑒定是利用顯微鏡來觀察藥材的組織構(gòu)造、細(xì)胞形狀以及細(xì)胞內(nèi)含物的特征，用以鑒定藥材的真?zhèn)?、純度甚至品質(zhì)。現(xiàn)有的中藥顯微鑒定手段，包括光學(xué)顯微法和電子顯微法，對樣品的制備都有較高的要求，而且為了鑒定需要，經(jīng)常需要加入某些特定的化學(xué)試劑，這些試劑在起作用的同時有可能會破壞藥材中其他有用的結(jié)構(gòu)鑒定信息。我國政府近幾年發(fā)表聲明稱要使中藥標(biāo)準(zhǔn)化，要加強中藥的基礎(chǔ)和臨床研究，對出口中藥制劑的測試和發(fā)展進(jìn)行改進(jìn)?；陲@微鑒別的研究現(xiàn)狀和中藥目前的發(fā)展需求，X射線相襯顯微成像技術(shù)為中藥材的顯微結(jié)構(gòu)研究提供了一種簡便、快速、無損的新方法。

IL-PCI是利用X射線的空間相干特性，實現(xiàn)低Z介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高襯度成像。中藥材主要由碳、氫、氧、氮等輕元素組成，原則上可以利用相襯成像來實現(xiàn)其特征結(jié)構(gòu)的無損成像。由于具有更高的相干通量，利用第三代同步輻射光源成像可獲得更高的時間和空間分辨，可用于研究更高分辨的特征顯微結(jié)構(gòu)。上海光源成像組利用X射線管和同步輻射光源，開展了部分中藥材顯微結(jié)構(gòu)研究的工作。人參中主要用于顯微特征鑒定的輸導(dǎo)組織是導(dǎo)管，在本實驗中用到的七等野山參，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)管多數(shù)是螺紋導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管均為螺紋導(dǎo)管，其直徑約為39 μm。園參中主要也是螺紋導(dǎo)管，大小在38 μm左右。簇晶的結(jié)構(gòu)及大小分布是用于人參顯微鑒別的又一特征結(jié)構(gòu)。實驗所用的五等野山參中，主要存在晶瓣較尖銳的簇晶，也存在少數(shù)晶瓣比較平鈍的結(jié)構(gòu)。另外，還發(fā)現(xiàn)同時存在部分晶瓣尖銳、部分晶瓣平鈍的簇晶結(jié)構(gòu)。

3.2 藥劑粉體三維結(jié)構(gòu)

不同藥物制劑具有各自獨特的釋藥行為，而結(jié)構(gòu)特征是其給藥系統(tǒng)發(fā)揮最佳藥效的基礎(chǔ)。控釋制劑藥物相比普通制劑有延長作用時間、減少給藥次數(shù)等優(yōu)點。自2010年以來，上海光源X射線成像組與中國科學(xué)院上海藥物所張繼穩(wěn)研究組合作開展了藥物制劑三維結(jié)構(gòu)研究。利用SR-μCT方法，清晰展現(xiàn)了難溶藥物非落地平的滲透泵制劑釋藥過程中三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，并定量分析了片芯、半透膜、水化層等參數(shù)，結(jié)果顯示殘留片芯表面積在釋藥過程中保持恒定，是難溶性藥物恒速釋放的關(guān)鍵內(nèi)在結(jié)構(gòu)因素。粉體混合是藥劑學(xué)的基礎(chǔ)單元操作，充分均勻混合是保證固體制劑含量均一的關(guān)鍵，但實際生產(chǎn)中受機(jī)械振動等因素的影響，不同比重、粒徑、形態(tài)的顆粒會出現(xiàn)分層，從而影響制劑含量的均勻性。研究人員利用SR-μCT研究了粉體混合、分層等藥劑學(xué)基本性質(zhì)。實驗以兩種常規(guī)填充劑微晶纖維素及淀粉顆粒為對象，根據(jù)由SR-μCT獲得的顆粒球形度及其頻次分布，定量評價兩種顆粒在不同混合時間后在1 mL小管中不同位置的分布，并以混勻度指數(shù)評價體系的混合程度，給出了定量表征與可視化相結(jié)合的分析方法。這對提升我國固體藥物制劑的研究水平，具有重要的方法學(xué)意義和應(yīng)用價值。

3.3 新型骨修復(fù)支架成骨作用的定量評價

上海光源作為第三代同步輻射光源，其高準(zhǔn)直的單色光及相襯成像方法非常適合進(jìn)行生物組織結(jié)構(gòu)的定量分析研究。適合骨組織再生的生物材料應(yīng)具有生物學(xué)上有益的屬性，如生物活性、生物相容性、機(jī)械強度和可控的生物降解性。

上海光源X射線成像組與華東理工大學(xué)劉昌勝、魏杰研究組密切合作，開展了復(fù)合基因重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白的摻雜鈣鎂介孔硅支架的成骨作用的研究。為了量化地研究支架標(biāo)本植入兔股骨缺損3個月后成骨作用對骨微觀結(jié)構(gòu)的影響和支架降解，使用SR-μCT的組織形態(tài)學(xué)定量分析。SR-μCT是在醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中的一種非破壞性X射線成像方法，在對數(shù)據(jù)重建后能獲得定量三維圖像分析。與傳統(tǒng)的骨形態(tài)計量學(xué)相比，SR-μCT提供更高的空間分辨率和對比度，有利于更準(zhǔn)確地區(qū)分新生骨和剩余的骨修復(fù)材料。在獲取斷層掃描圖片后，使用VG Studio MAX 2.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的三維可視化重建，使用MicroView 2.2高級骨骼分析應(yīng)用軟件進(jìn)行骨放射形態(tài)學(xué)分析。在每個缺損部位的新骨長入支架情況通過骨量（BV）與總體積（VOI）的比值來獲得量化的結(jié)果，同時計算出各部分的骨礦物密度（BMD）。

在植入手術(shù)完成4周與12周后，對實驗兔進(jìn)行SR-μCT分析，以評估復(fù)合基因重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白（rhBMP-2）的摻雜鈣鎂的介孔硅支架（CMMS）體內(nèi)骨誘導(dǎo)性能。4周時，CMMS/rhBMP-2支架上可見明顯的原位骨形成，且支架出現(xiàn)降解；而在CMMS支架上僅發(fā)現(xiàn)少量新生骨在宿主骨及缺損邊緣形成；致密的CMMS/rhBMP-2在植入體外表面也僅形成相對較少的新骨。12周時，整個CMMS/rhBMP-2支架上可觀察到廣泛的骨長入及新骨皮質(zhì)的形成，這據(jù)推測歸因于緩釋的rhBMP-2；與此同時CMMS支架上的新生骨較少；而致密的CMMS/rhBMP-2上明顯沉積較少的新生骨且材料在缺陷位置大量殘留，缺損部位仍沒有愈合。

缺損部位的再生骨量和骨礦物密度被用來精確地評價骨缺損的修復(fù)情況。CMMS/rhBMP-2及CMMS支架均比致密材料或空白對照組含有更高的骨量，此外復(fù)合rhBMP-2的CMMS支架在4周、12周時比單純CMMS支架含有更高的骨量。兩種支架在4周時顯示出比致密材料或空白對照組更高的骨礦物密度值，而12周時僅CMMS/rhBMP-2支架的骨礦物密度值顯著高于致密材料或空白對照組。

3.4 材料的定量結(jié)構(gòu)表征

SR-μCT以其高空間分辨及高精度等優(yōu)點，在各科學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。但對于某些樣品，存在不同材料成分，它們在單個能量下的X射線吸收及折射率信息都較為接近，很難區(qū)分彼此。通過X射線多能顯微CT結(jié)合數(shù)據(jù)約束模型（DCM）的方法可解決上述問題，不但可區(qū)分樣品中的不同成分，還可得到各成分的定量分布信息。數(shù)據(jù)約束模型是一種利用約束測量數(shù)據(jù)預(yù)測材料成分微結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，它利用多個能量下采集的實驗數(shù)據(jù)，通過各成分在不同能量間的吸收差異進(jìn)行計算，得到各成分定量分布信息及三維顯微結(jié)構(gòu)。該方法使用多個獨立測量的數(shù)據(jù)，得到結(jié)果的精度更高，且可分析單個像素內(nèi)多種組分并存的情況。該方法已成功地應(yīng)用于多種樣品的表征，包括腐蝕鋅線的氧化物分布，油氣藏礦物石灰石的相分布等。

氧化腐蝕使金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，疏松、起層、粉化，致使失去金屬應(yīng)有的性狀，對工業(yè)生產(chǎn)等造成極大的危害。樣品組成、氧化物的厚度和孔隙等因素都會影響腐蝕速率，因此研究腐蝕樣品的三維顯微結(jié)構(gòu)對了解、限制甚至阻止其腐蝕過程有著重要意義。將直徑為50 μm的鋅線浸泡在鹽水中腐蝕24 h作為樣品。SR-μCT能量選擇為9 keV和10.5 keV，分別在鋅吸收邊9.659 keV上下。成像距離選為105 mm，采集投影數(shù)為500。采集的兩組數(shù)據(jù)經(jīng)過CT重建，配準(zhǔn)及DCM計算，得到樣品的成分分布。結(jié)果表明，鋅和氧化鋅的交界面厚度大約為5 μm，分為3層：疏松氧化鋅層、致密氧化鋅層及氧化鋅及鋅共存層。該結(jié)果與聚焦離子束物理切片結(jié)果吻合，同時通過該方法還可得到樣品高分辨三維分布圖。該結(jié)果有助于對整體腐蝕速率控制的模擬研究。

油氣儲層巖石三維微觀尺度結(jié)構(gòu)是決定其力學(xué)性質(zhì)和水文特性的重要因素，進(jìn)一步可關(guān)系到石油及天然氣的開采，二氧化碳地質(zhì)的封存，因此研究其三維結(jié)構(gòu)就顯得異常重要。實驗樣品選取直徑約3.5 mm的圓柱形巖石。X射線能量選為25 keV和35 keV，成像距離選為10 mm，樣品旋轉(zhuǎn)180°采集1080個投影。通過類似處理，可得到樣品礦物相（方解石和白云石）三維顯微分布。結(jié)果表明，樣品中主要成分為方解石和白云石，孔隙則零星的穿插在其中，同時還可得到方解石、白云石和空隙占樣品的體積分?jǐn)?shù)分別為15%，81%和4%。該結(jié)果有助于對碳酸鹽巖中的礦物、孔隙、石油和天然氣物理特性（流體滲透特性和彈性常數(shù)等）的模擬計算和定量分析。

4 結(jié)論

自上海光源2009年正式對外開放以來，為更好地服務(wù)用戶并發(fā)揮大科學(xué)裝置的應(yīng)用潛力，上海光源X射線成像組結(jié)合用戶需求和實驗需要，開展了多種X射線成像方法學(xué)及其應(yīng)用研究，取得了一批重要的研究成果。目前X射線成像技術(shù)正朝著定量成像、高空間分辨和快時間分辨發(fā)展，上海光源X射線成像組也將朝著這些方向努力，為我國的X射線成像研究的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)?！?/p>