基于相位襯度成像的X射線生物特征識(shí)別儀

許明偉 薛艷玲 陳榮昌 李 可 杜國(guó)浩鄧 彪 謝紅蘭 肖體喬

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海201800）

2（上海光源科學(xué)中心中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海201204）

3（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

國(guó)家生物安全對(duì)于瀕危物種的保護(hù)、防止外來(lái)生物入侵和維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要［1-2］，而海關(guān)是維護(hù)生物安全的第一道防線。X射線因具有強(qiáng)穿透性的特點(diǎn)被海關(guān)部門廣泛用于安全檢測(cè)工作中［3］，2008年誕生的直線加速器Linatron Mi6能產(chǎn)生3.5 MeV和6 MeV兩種能量的X射線對(duì)貨物進(jìn)行透視檢測(cè)［4］；為了穿透厚度超過(guò)300 mm的集裝箱鋼板，2012年誕生了能產(chǎn)生6 MeV和9 MeV高能X射線的IDK-6/9 MeV線性電子加速器［5］；2017年又出現(xiàn)了可產(chǎn)生光子能量5 MeV、6 MeV和9 MeV，焦點(diǎn)尺寸2 mm的X射線直線加速器，并且通過(guò)人工智能算法自動(dòng)標(biāo)注X射線圖像中的目標(biāo)物［6-7］。以上這些裝置基于吸收襯度和雙能成像透視貨物，大幅提高了工作效率［8-9］。但是生物樣品主要由C、H、O、N等輕元素組成，不同組織之間密度差異很?。?0-14］，通過(guò)上述高能量、大焦點(diǎn)X射線光源和基于吸收襯度的成像方法無(wú)法對(duì)弱吸收生物組織清晰成像，很難用于生物樣品的品種和產(chǎn)地鑒別，現(xiàn)有的基于吸收襯度成像的安檢設(shè)備也無(wú)法滿足海關(guān)生物安全檢測(cè)的需求。

近年來(lái)基于高亮度同步輻射光源發(fā)展起來(lái)的X射線相位襯度成像方法，利用空間相干X射線在樣品內(nèi)部傳播時(shí)的相位變化成像，對(duì)于硬X射線來(lái)說(shuō)，它的復(fù)折射率中代表相位的虛部比代表吸收的實(shí)部高兩個(gè)量級(jí)以上，因而相位襯度成像的靈敏度遠(yuǎn)高于吸收襯度成像，特別適合于弱吸收樣品成像。研發(fā)基于相位襯度成像的X射線生物特征識(shí)別儀，可以解決現(xiàn)有X射線成像安檢儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)弱吸收樣品成像的難點(diǎn)問(wèn)題。X射線相位襯度成像主要是基于高亮度、空間相干性好的同步輻射光源發(fā)展起來(lái)的［15］，其實(shí)現(xiàn)成像的方式主要包括干涉法［16］、衍射增強(qiáng)法［17］、光柵微分法［18］和同軸法［19］等實(shí)現(xiàn)方式，其中干涉法和衍射增強(qiáng)法對(duì)X射線光子的利用效率較低［20-22］。光柵微分法可降低對(duì)X射線光源空間相干性的要求，但需要復(fù)雜、精密的光柵及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)［18］，且光子利用效率低、數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)。同軸輪廓法基于準(zhǔn)相干X射線在自由空間的傳播實(shí)現(xiàn)相位襯度成像，具有光子利用效率高和光路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)［19，23］，特別適用于高效率和高性價(jià)比X射線成像檢測(cè)儀的研發(fā)。

本文報(bào)道了一種基于相位襯度成像的X射線生物特征識(shí)別儀。針對(duì)海關(guān)檢測(cè)要求成像速度快的特點(diǎn)，采用光子利用效率高的X射線同軸輪廓相襯成像方法實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)采集。海關(guān)檢測(cè)樣品種類多、尺寸和形狀不統(tǒng)一，儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)節(jié)射線源、樣品和探測(cè)器三者之間的距離，可選擇合適的成像放大倍率，適應(yīng)不同樣品檢測(cè)的需求。為保證檢測(cè)環(huán)境的輻射安全、樣品的切換及調(diào)整方便，采用防護(hù)棚屋屏蔽、門禁安全聯(lián)鎖和樣品臺(tái)自動(dòng)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，為解決二維投影像存在的信號(hào)堆疊和很難用于生物特征識(shí)別的問(wèn)題，發(fā)展基于相襯成像的顯微電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）及其三維顯微結(jié)構(gòu)定量分析方法，以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地生物樣品的識(shí)別。

1 成像原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 X射線相襯成像原理

當(dāng)X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，除了會(huì)發(fā)生X射線的吸收外，還會(huì)伴隨著X射線的折射現(xiàn)象，通常使用復(fù)折射率表示X射線與物質(zhì)的相互作用［22，24-25］：

式中：δ、β?1，當(dāng)X射線在物質(zhì)中傳播時(shí)，其位相因子中呈現(xiàn)出一個(gè)衰減因子：

式中：n為X射線的復(fù)折射率；k=2πλ為波矢；λ為入射X射線的波長(zhǎng)；z為沿光軸的傳輸距離。復(fù)折射率表達(dá)式中的δ項(xiàng)為相位項(xiàng)，β項(xiàng)為吸收項(xiàng)，相位項(xiàng)通常比吸收項(xiàng)高兩個(gè)量級(jí)以上。這意味著物體對(duì)X射線相位的調(diào)制作用比吸收更加明顯，利用X射線透過(guò)樣品后攜帶的相位信息可以得到弱吸收樣品精細(xì)結(jié)構(gòu)的高靈敏成像［16，26-27］。

由于相位的記錄是通過(guò)局域光干涉實(shí)現(xiàn)的，因此相位襯度成像對(duì)X射線光源的空間相干性要求較高［16］。理想的平行光或點(diǎn)光源是完全空間相干的，但實(shí)際上任何光源均有一定的相干空間尺度［28］。在非點(diǎn)源照明的情況下，物平面上的相干長(zhǎng)度可表示為［19，29］：

式中：λ為光源波長(zhǎng)；R1為光源到樣品的距離；σ為光源點(diǎn)尺寸。光源尺寸越小，產(chǎn)生的X射線空間相干性越好。生物樣品檢測(cè)成像所需的光子能量通常為20 keV，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λ=0.062 nm。當(dāng)光源點(diǎn)尺寸σ=2μm、R1=0.1m時(shí)，相干長(zhǎng)度d=3.1μm，相干長(zhǎng)度d還會(huì)隨著R1的增大而增大。

樣品厚度和成分的變化導(dǎo)致X射線波前在通過(guò)樣品后的形狀發(fā)生變化。X射線透過(guò)樣品后的相位變化φ可表示為［29］：

同軸相襯成像原理可由菲涅爾衍射來(lái)解釋，根據(jù)菲涅耳衍射基爾霍夫公式的一階近似，對(duì)于點(diǎn)光源照射純相位樣品的情況下，像平面的光強(qiáng)分布為［19，29］：

式中：z為近似光軸；k=2πλ為波矢；re為經(jīng)典電子半徑；ρ為樣品的電子密度；R1為樣品到光源的距離；R2為樣品到探測(cè)器的距離；M=(R1+R2)R1為成像系統(tǒng)的幾何放大倍率。像平面上的光強(qiáng)分布正比于電子密度的二階微分，與光子能量無(wú)關(guān)［19］，這意味著可以實(shí)現(xiàn)多色光相襯成像。成像的空間分辨率很大程度上取決于光源的尺寸［29-30］，因此為同時(shí)保證相位襯度和高空間分辨，本儀器研發(fā)采用微焦點(diǎn)X光管作為成像系統(tǒng)的射線源。

歸因于空間相干X射線的局域干涉，同軸相襯成像只能直接獲得樣品密度突變界面的邊緣增強(qiáng)輪廓像。要獲得樣品的密度分布，還需發(fā)展相應(yīng)的相位恢復(fù)算法。目前相位恢復(fù)算法主要有：基于Born近似和Rytov近似的算法［31］、強(qiáng)度傳播方程（Transport of Intensity Equation，TIE）算法［32-33］和襯度傳遞函數(shù)（Contrast Transfer Function，CTF）算法［34］等。由于這些算法引入了一系列近似和假設(shè)，使得相位恢復(fù)結(jié)果不穩(wěn)定。此外，其它一些相位恢復(fù) 算 法：如GSF（Gerchberg-Saxton-Fienup）算法［35-36］、Yang-Gu算 法［37］、Input-Output算 法［38］、Steepest-Descent算法［35］、Conjugate-Gradient算法［35］以及Wu等提出的迭代算法［39-40］，雖然穩(wěn)定性更好，但運(yùn)算量大，效率低?；谙辔?吸收二元性（Phase-Attenuation Duality，PAD）的算法，因其單距、非迭代和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于提取同軸相襯像的相位信息［30，41-42］?；谝陨戏治觯捎肞AD算法實(shí)現(xiàn)同軸相襯像的重構(gòu)是X射線生物特征識(shí)別儀研發(fā)的最佳選擇。

像平面的光強(qiáng)分布是經(jīng)樣品調(diào)制后的X射線波前在像平面干涉的結(jié)果，為了從單張投影圖的光強(qiáng)分布中提取相位信息，假設(shè)樣品為均質(zhì)的，從平行光照明的強(qiáng)度輸運(yùn)方程（Transport-of-Intensity Equation，TIE）出發(fā)，結(jié)合菲涅爾衍射積分公式可以得到適用于提取X光管成像系統(tǒng)相位信息的PAD算法公式［30，43］：

式中：位置矢量r⊥垂直于光軸方向z；T(r⊥)為均勻物體在像平面上的投影厚度；Iin為入射光的平均強(qiáng)度；F{}和F-1{}分別代表傅里葉變換和傅里葉逆變換。

由式（5）可知：成像襯度隨著R2的增大而增大［29］，考慮到該系統(tǒng)為基于錐形束的投影成像方式，成像的幾何放大率M受R1和R2的共同影響。因此，在實(shí)際成像過(guò)程中應(yīng)在保證所需放大倍率M的情況下盡可能增大R2以獲得最佳襯度。

1.2 X射線成像系統(tǒng)

為提供同軸相襯成像所要求的準(zhǔn)相干X射線，該系統(tǒng)采用微焦點(diǎn)透射式鎢靶X光管（X-ray WorX GmbH，XWT-225-THE Plus），管 電 壓 范 圍20~225 kV，管電流范圍20~1 000μA，焦點(diǎn)尺寸2μm，最大靶功率50 W，X射線張角160°，射線源可連續(xù)4 h提供穩(wěn)定的X射線束。

為滿足海關(guān)生物安全識(shí)別工作中樣品尺寸差異大的問(wèn)題，該系統(tǒng)采用基于GdOS閃爍體的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）X射 線 平 板 探 測(cè) 器（Teledyne DALSA，Rad-icon 2329）實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)高分辨成像［44］，探測(cè)器單像素尺寸49.5μm，像素陣列4 608×5 890，成像面積228 mm×291mm。

圖1為研制的X射線生物特征識(shí)別儀，其中圖1（a）為成像光路示意圖。該系統(tǒng)中X射線源、樣品臺(tái)和探測(cè)器同軸放置，其中X射線源固定，樣品臺(tái)可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三維平動(dòng)和W一維旋轉(zhuǎn)的四維運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，樣品臺(tái)和探測(cè)器可沿X方向移動(dòng)，以調(diào)節(jié)光源到樣品的距離（Source-Object Distance，SOD）和光源到探測(cè)器的距離（Source-Detector Distance，SDD）來(lái)任意調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)的幾何放大倍率。SOD最小為10 mm，SDD最大為1 570 mm，此時(shí)為最大幾何放大倍率157×，對(duì)應(yīng)的有效像素尺寸0.32μm。根據(jù)成像條件的不同，曝光時(shí)間在數(shù)百毫秒到十幾秒之間。圖1（b）為儀器外觀照片，輻射防護(hù)棚屋將整個(gè)X射線成像系統(tǒng)封閉起來(lái)，并配有相應(yīng)的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，以保證測(cè)試過(guò)程中的輻射安全。配置了一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)光源、樣品臺(tái)與及探測(cè)器的棚屋外控制及數(shù)據(jù)采集和處理。圖1（c）為識(shí)別儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片，儀器門可完全打開(kāi)，以方便維護(hù)。前門配鉛玻璃觀察窗，以方便測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察樣品及部件狀態(tài)。該系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)（Ethernet）進(jìn)行硬件控制與數(shù)據(jù)傳輸，整套軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，便于海關(guān)部門對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和對(duì)硬件的升級(jí)改造。此外，制定發(fā)展了完整的數(shù)據(jù)處理、設(shè)備維護(hù)和操作的使用規(guī)范，方便相關(guān)人員的使用。

圖1 儀器的成像光路圖(a)、儀器外觀(b)及儀器內(nèi)部照片(c)Fig.1 Diagram of the imaging optical path in the instrument(a),an appearance photo of the instrument(b),a photo inside the instrument(c)

由于二維投影成像存在信號(hào)堆疊問(wèn)題，僅從二維投影圖難以獲取生物樣品的特征結(jié)構(gòu)信息。針對(duì)生物樣品三維空間結(jié)構(gòu)信息獲取和分析的需求，將CT成像技術(shù)引入到海關(guān)生物特征識(shí)別中，通過(guò)對(duì)生物樣品相位襯度三維信息的定量分析，實(shí)現(xiàn)同種、不同產(chǎn)地生物樣品的識(shí)別。為此，在DALSA GigE軟件開(kāi)發(fā)包（Software Development Kit，SDK）的基礎(chǔ)上，結(jié)合KOHZU電機(jī)軟件控制接口，開(kāi)發(fā)出具有自定義曝光時(shí)間、單張拍攝、單張保存、實(shí)時(shí)預(yù)覽、電機(jī)控制以及CT掃描功能的軟件（圖2），使該儀器具備拍攝CT的能力。通過(guò)該軟件對(duì)樣品進(jìn)行CT掃描，可快速無(wú)損獲取被檢測(cè)樣品的微米級(jí)三維空間結(jié)構(gòu)，有效提高生物安全檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

圖2 儀器CT掃描程序流程圖Fig.2 Flow chart of the CT scanning program of the instrument

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 投影成像測(cè)試

首先對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了二維投影成像測(cè)試，采用分辨率靶（JIMART RC-02）測(cè)試該系統(tǒng)的空間分辨率，采用小魚和香樟葉測(cè)試生物樣品成像效果，實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。成像時(shí)有效像素尺寸的選擇取決于成像所需的分辨率和視場(chǎng)大小：為了測(cè)試該系統(tǒng)的空間分辨率，采用0.50μm的有效像素對(duì)分辨率靶成像；考慮到樣品較大，采用8.15μm的有效像素對(duì)小魚成像，4.95μm的有效像素對(duì)香樟葉成像。曝光時(shí)間的選擇取決于成像信噪比，成像信噪比與到達(dá)像素點(diǎn)的光子數(shù)成正比，而到達(dá)像素點(diǎn)的光子數(shù)與光源靶功率、有效像素尺寸的平方、探測(cè)器閃爍體對(duì)不同能量X射線的響應(yīng)系數(shù)成正比，與SDD的平方成反比，且與樣品材質(zhì)和厚度相關(guān)，因此實(shí)際的曝光時(shí)間要從以上幾個(gè)方面來(lái)綜合考慮。分辨率靶成像測(cè)試采用的靶功率小、SDD大、有效像素尺寸小，需要5 s的曝光時(shí)間才能得到高信噪比圖像；小魚成像測(cè)試采用的靶功率大、SDD小、有效像素尺寸大，小魚對(duì)X射線的調(diào)制能力強(qiáng)，0.7 s的曝光時(shí)間即可得到高信噪比圖像；香樟葉成像測(cè)試采用的管電壓小、靶功率小，探測(cè)器閃爍體對(duì)低能X射線的響應(yīng)系數(shù)小、樣品薄，需要10 s的曝光時(shí)間才能得到高信噪比圖像。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。綜合圖3（a）的投影像及圖3（b）的強(qiáng)度分布輪廓圖，可以認(rèn)為該成像系統(tǒng)的空間分辨率為3μm。圖3（c）小魚二維投影像說(shuō)明該系統(tǒng)可清晰分辨小魚體內(nèi)不同層次的骨骼、魚腸內(nèi)食物和魚鰭，考慮到樣本已脫水，這應(yīng)該是相位襯度和吸收襯度共同作用的混合襯度成像。根據(jù)得到的樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，可以用來(lái)推斷小魚樣本的種類及相關(guān)信息，從而用于樣本識(shí)別。圖3（d）所示香樟葉二維投影像表明該系統(tǒng)可清晰分辨葉片上的各級(jí)葉脈，這屬于相位襯度占主導(dǎo)地位的成像，從而驗(yàn)證了所研制的X射線生物特征識(shí)別儀具備較好的相位襯度成像能力。上述投影成像測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)生物樣品或薄樣本的生物特征識(shí)別。

表1 二維成像測(cè)試條件Table 1 Test conditions of the two dimensional imaging

圖3 分辨率靶投影像(a)，分辨率靶投影像標(biāo)記處的強(qiáng)度分布輪廓圖(b)，小魚投影像(c)，香樟葉投影像(d)Fig.3 Projection image of the resolution target(a),intensity profile at the mark in Fig.3a(b),projection image of the tiddler(c),projection image of the cinnamomum camphora leaves(d)

2.2 CT成像測(cè)試

相襯CT功能主要用于弱吸收樣品的三維顯微結(jié)構(gòu)成像，適用于厚樣品原位無(wú)損測(cè)試及定量分析識(shí)別。為測(cè)試其相位襯度成像效果，主要采用不含水樣品測(cè)試，以降低吸收襯度的影響。采用小魚樣品和藥物微丸進(jìn)行三維成像測(cè)試，脫水小魚樣品屬相襯與吸收的混合襯度成像，藥物微丸由于均為低Z元素組成且尺度小，可看成純相位樣品。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)CT掃描軟件采集不同角度下的投影圖像，使用PAD算法進(jìn)行相位恢復(fù)，采用基于極坐標(biāo)變換的方法去除切片的環(huán)狀偽影［45］，使用Avizo 9.7.0（Thermo Fisher）軟件對(duì)切片進(jìn)行三維渲染。小魚測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4，其測(cè)試條件為管電壓50 kV、管電流700μA、靶功率21.3 W、曝光時(shí)間700 ms、有效像素尺寸8.15μm。圖4（a、b）是小魚吸收襯度成像結(jié)果，圖4（a）為小魚骨骼及腸道內(nèi)食物殘?jiān)娜S結(jié)構(gòu)，圖4（b）給出了小魚腹部方向的視圖，可清晰觀察到尾椎骨的整體顯微結(jié)構(gòu)，且可明顯看出側(cè)部魚骨斷裂和錯(cuò)位的情況，應(yīng)該是樣品干燥后擠壓所致。圖4（c、d）是小魚樣品的相位襯度成像結(jié)果，圖4（c）為小魚體表的相位襯度成像三維結(jié)構(gòu)，可觀察到小魚體表魚鱗的排列結(jié)構(gòu)，圖4（d）給出小魚腹部方向的剖視圖，可清晰觀察到魚腸的形狀、空間位置以及魚腸內(nèi)食物殘?jiān)木唧w分布情況。圖4表明該系統(tǒng)具有較高的密度分辨能力，適用于對(duì)生物樣品進(jìn)行高襯度成像。圖5是純相位樣品藥物微丸的三維顯微結(jié)構(gòu)，測(cè)試條件為管電壓50 kV、管電流500μA、靶功率16 W、曝光時(shí)間3 s、有效像素尺寸3 μm。樣品準(zhǔn)備過(guò)程中將含微丸的藥片壓碎，挑選出藥物微丸，為CT成像方便，將微丸粘在塑料吸管上。圖5（a）是吸管上藥物微丸的三維空間分布以及表面形貌結(jié)構(gòu)，圖5（b）為微丸及吸管的橫截面三維視圖，可清晰觀察到藥物微丸及吸管內(nèi)部存在多層復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)。圖5（c）為單個(gè)微丸的三維顯微結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)微丸從內(nèi)到外依次由空腔、藥物層、隔離層、腸衣層組成，各層之間存在一定的間隙。由于微丸及吸管樣品在管電壓50 kV的X射線照射下可看做純相位物體，從而驗(yàn)證了所研制的儀器具有較高的相位襯度成像分辨能力。

圖4 小魚骨骼及腸道內(nèi)食物殘?jiān)娜S結(jié)構(gòu)(a)，腹部方向視圖(b)，體表結(jié)構(gòu)(c)，縱向剖視圖(d)Fig.4 Three-dimensional structure of the skeleton and food residues of the tiddler(a),orientation view of the abdomen(b),surface structure(c),longitudinal cutaway view(d)

圖5 藥物微丸粘附于塑料吸管的三維空間分布及表面形貌結(jié)構(gòu)(a)，微丸及吸管截面三維視圖(b)，單個(gè)微丸三維顯微結(jié)構(gòu)(c)Fig.5 Three-dimensional spatial distribution and surface morphology of pellets adhered to a pipette(a),three-dimensional crosssection view of pellets and pipette(b),three-dimensional microstructure of a single pellet(c)

2.3 生物樣本識(shí)別測(cè)試

對(duì)于較難根據(jù)外觀鑒別的生物樣本，采用顯微CT實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損成像，并進(jìn)一步定量分析，可以實(shí)現(xiàn)同種、不同產(chǎn)地生物樣本的識(shí)別。選取不同產(chǎn)地的核桃作為測(cè)試樣本，對(duì)X射線而言這是一個(gè)混合襯度樣品，核桃衣可以作為純相位物體。由于核桃被堅(jiān)硬的外殼包裹，常規(guī)的檢測(cè)方法很難區(qū)分不同產(chǎn)地的核桃，通過(guò)研制的X射線生物特征識(shí)別儀對(duì)核桃進(jìn)行CT掃描，再對(duì)切片進(jìn)行定量分析可達(dá)到無(wú)損鑒別核桃產(chǎn)地的目的。測(cè)試樣本分別為產(chǎn)自云南省楚雄彝族自治州（Chuxiong）、浙江省杭州市（Hangzhou）和河南省洛陽(yáng)市（Luoyang）三地的核桃，每個(gè)產(chǎn)地各取3個(gè)樣本，測(cè)試條件均為管電壓80 kV、管電流100μA、靶功率6.6 W、曝光時(shí)間500 ms、有效像素尺寸19.09μm。三維成像結(jié)果見(jiàn)圖6，圖6（a、b）為核桃的三維體積渲染圖，從圖6（b）核桃的橫截面視圖可以看出，識(shí)別儀可以實(shí)現(xiàn)核桃殼、核桃衣和核桃肉的清晰成像。圖6（c）為核桃衣相襯CT成像結(jié)果，其中淺色部分為核桃衣，深色實(shí)體部分為核桃殼，說(shuō)明識(shí)別儀可以對(duì)核桃衣這類純相位物體進(jìn)行成像。圖6（d）為核桃仁的三維渲染圖，表明該識(shí)別儀可無(wú)損獲取樣本內(nèi)部復(fù)雜的三維顯微結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)切片進(jìn)行閾值分割實(shí)現(xiàn)核桃殼和核桃肉的結(jié)構(gòu)信息提取，并對(duì)核桃樣品進(jìn)行進(jìn)一步的圖像定量分析。

圖6 核桃的三維成像體積渲染圖，核桃整體(a)，核桃橫截面(b)，核桃衣(c)，核桃仁(d)Fig.6 3D volume renderings of the walnut,the whole body(a),a cross-section view(b),walnut coat(c),walnut kernel(d)

通常僅從形態(tài)差異較難實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地樣本的識(shí)別，依據(jù)三維圖像的定量分析可以獲取更多的樣品特征信息。對(duì)核桃樣品特征作了定量分析（圖7），結(jié)果表明：云南省楚雄彝族自治州所產(chǎn)核桃的平均外殼厚度為914.5μm，果仁平均體積占比為36.0%；浙江省杭州市所產(chǎn)核桃的平均外殼厚度為1 114.9μm，果仁平均體積占比為29.7%；河南省洛陽(yáng)市所產(chǎn)核桃的平均外殼厚度為1 543.2μm，果仁平均體積占比為33.9%。結(jié)合各產(chǎn)地的經(jīng)緯度：楚雄（101°30′E，25°02′N），杭州（120o10′E，30o15′N），洛陽(yáng)（112°26′E，34°43′N），從圖7（b）可知，核桃殼厚度與產(chǎn)地的緯度存在明顯的正相關(guān)性。通過(guò)對(duì)CT掃描產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析可以看出，不同產(chǎn)地的核桃外殼平均厚度和果仁體積占比有明顯差異，因此能以此來(lái)無(wú)損鑒定核桃的產(chǎn)地。盡管實(shí)際物種鑒別中還需要更多的檢測(cè)樣品，但初步的測(cè)試結(jié)果表明，研制的生物特征識(shí)別儀可為生物樣本鑒別提供更多有用的信息?；谠搩x器建立的檢測(cè)方法，可推廣到其它生物物種的識(shí)別或顯微鑒定中，從而提高海關(guān)生物安全檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

圖7 核桃樣品特征的定量分析結(jié)果 (a)果仁體積占比，(b)外殼平均厚度Fig.7 Quantitative analysis results of characteristics of walnut samples(a)Proportion of kernel volume,(b)Average shell thickness

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)海關(guān)生物安全檢測(cè)對(duì)于數(shù)據(jù)采集效率高、成像速度快的需求，成功研發(fā)了一臺(tái)基于同軸輪廓相襯成像的X射線生物特征識(shí)別儀。為了解決海關(guān)檢測(cè)樣品種類復(fù)雜、尺寸和形狀差異大的問(wèn)題，將微焦點(diǎn)X光管與CMOS大面陣X射線平板探測(cè)器相結(jié)合，利用錐形X射線束投影成像的幾何放大作用，通過(guò)調(diào)整樣品、探測(cè)器與光源的相對(duì)距離，實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)放大倍率的調(diào)節(jié)以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。此外，該方法也降低了高分辨成像對(duì)探測(cè)器像素尺寸的要求。結(jié)合相襯顯微CT成像技術(shù)，該識(shí)別儀可用于定量分析生物樣品的三維結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)地生物樣品的識(shí)別，從而提升海關(guān)生物安全檢測(cè)工作的準(zhǔn)確率。分辨率靶測(cè)試結(jié)果表明：采用單像素尺寸49.5μm的大面積平板探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了3μm的空間分辨率。生物樣品測(cè)試結(jié)果表明：相比目前海關(guān)通用的基于吸收襯度成像的X射線檢測(cè)手段，新研發(fā)的基于相位襯度成像的X射線生物特征識(shí)別儀具有更高的空間分辨和密度分辨能力，更適合用于弱吸收樣品的成像。此外，研發(fā)的識(shí)別儀通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行硬件控制、數(shù)據(jù)采集與處理，便于海關(guān)部門對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和對(duì)硬件的升級(jí)改造。該系統(tǒng)還可用于中藥材顯微鑒定、結(jié)構(gòu)藥劑學(xué)、聚合物材料等領(lǐng)域的研究，為相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提供一個(gè)有效的相襯成像顯微CT檢測(cè)平臺(tái)。

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所張繼穩(wěn)研究員課題組提供的藥物微丸樣品以及中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所駱鈞堯在CT掃描軟件編寫過(guò)程中提供的幫助。