中科院物理所實現超低輻射X射線鬼成像

　　X射線成像作為一種有效的診斷方法被廣泛應用于人類社會生活和科學研究的方方面面。從普通便攜式X射線管到實驗室臺面激光等離子體X射線源，再到大型同步輻射以及自由電子激光，現如今人們已經可以將X射線的脈寬、源尺寸、亮度等參數提升到一個前所未有的高度。但是，現有的成像方式如透視成像和相襯成像等，其本質都是通過累計光子信號以達到一定的圖像襯度，因此高劑量導致的輻射傷害始終不可避免，在人體影像學上甚至有誘發癌變的風險。因此一直以來人們都在致力于尋找降低使用X射線過程中輻射劑量的方法，但是成像質量和輻射損傷的瓶頸始終無法突破。而“鬼”成像由于其獨特的成像特性，很早就實現了可見光波段的弱光成像，帶來了實現超低輻射的X射線成像的可能。

　　鬼成像最早稱為量子關聯成像，也稱為單像素相機成像。作為一種間接成像的方式，通過分束測定或預設置照射在物體上的光場分布，將其與經過物體的投射（或反射）總光強進行統計關聯運算便可復原物體的圖像。在計算鬼成像中，用空間調制的光照射物體，只需要一個沒有空間分辨的單像素探測器（即“桶”探測器）測量物光的一系列光強度值即可得到圖像信號。這樣不僅可以大大降低對探測器的要求，而且避免光能量分配在面陣式CCD的每個像素上，從而提高物光信號的強度，降低散粒噪聲的影響，提高信噪比。成像原理上的不同使得鬼成像的方法比起傳統成像而言不僅可以實現超分辨率的成像，還可實現極弱光照下的成像。可見、近紅外光波段的鬼成像可以通過分光的方式測量照射在物體平面的光場分布，或者用空間光調制器制造可控的散斑場。但是在X射線波段沒有合適的分束器件或功能類似于空間光調制器的器件，所以一直以來X射線鬼成像(XGI)難以實現。在原理上，如果采用傳統的基于衍射的X光分光，則需要超強的X射線源及超穩定的平臺，而基于相位調制的XGI對于源的相干性提出了較高的要求。目前已報道的實驗結果基本上都是基于大型同步加速器輻射源對簡單的一維物體進行長時間測量，且成像效果較差。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理實驗室長期從事量子成像的研究員吳令安與長期研究X射線成像的研究員陳黎明合作，分別指導博士生張艾昕、何雨航，在國際上首次利用便攜式X射線源實現了對二維物體和真實生物體的超低劑量XGI。他們利用砂紙上隨機分布的碳化硅顆粒對X射線光場進行振幅調制，預先記錄物體平面的一套清晰的散斑圖；采集物光時，降低每次采樣的時間將X射線強度衰減到單光子量級，CCD的面積分作為桶探測器記錄下總光強，最后通過關聯運算成功還原出物體的像。實驗結果表明：和傳統透射成像方式相比，在弱光的情況下利用鬼成像的方式可以獲得比傳統透視成像更高的襯噪比；在獲得相同襯噪比的情況下，利用鬼成像的方法可以大幅降低成像過程中的輻射劑量。該工作首次在實驗上用一種簡單的方式驗證了超低輻射XGI的可行性，為后續的三維X射線鬼成像以及生物醫療上的實用化應用打下了堅實的基礎。

　　以上研究成果已在線發表于Optica 5, 374-377 (2018)。美國《科學》期刊的News in Depth 欄目也重點報道了該項工作，并被選為當期的Top Stories。

　　該工作得到了科技部（2017YFB0503300）、國家自然科學基金（11334013,11721404,61675016）、中科院先導專項（XDB17030500）以及國防工業技術發展（JCKY2016601C005）有關項目基金的支持。

　　Science報道鏈接

圖1 實驗布局圖（a）利用CCD1預記錄參考散斑場（b）利用CCD2記錄透過物體剩余的光強值；物體和CCD1處于同一平面（c）直通X射線的強度分布

圖2 物體和圖像 （a）“CAS”物體實拍圖（b）利用鬼成像采樣10000張重構出的“CAS”圖像（c）貝殼實拍圖（d）利用直接透射成像CCD1曝光10s得到的貝殼圖像（e）利用鬼成像采樣10000張重構出的貝殼圖像

圖3 利用CCD2的成像結果（a）利用鬼成像采樣10000張重構出的圖像（累計總曝光時間10ms）；襯噪比為0.5；（b）利用直接透射成像CCD2曝光10ms得到的圖像；襯噪比為0.13；（c）鬼成像和透射成像方式得到的圖像襯噪比隨總曝光時間變化圖