X射线成像应用简介-CAS
北京同步辐射装置X射线成像技术及图像后处理讲习班，2013.11.21-22，北京
X射线成像应用简介
袁清习
2013.11.21
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主要内容
1.X射线成像及分类
2.医学应用实例
3.能源领域应用实例
4.生物学应用实例
5.材料领域应用实例
6.其它应用
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X 射线成像及分类
BSRF
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常见成像手段
激光共聚焦扫描显微镜
普通光学显微镜
透射电子显微镜
扫描电子显微镜
医学CT
X 射线显微镜
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常见成像手段比较
成像方法 分辨率
样品尺寸
3D ? 实时 ? 破坏 ? Optical microscope l （200~300nm ） Depth of focus
<100 nm N Bio/Y N Confocal microscope l; STORM/50nm flexible Y Bio/Y N Medical X-ray CT ~mm tens of cm Y Y N Neutron imaging Tens of m m ~inch + Y Y N Synch. m -CT ~m m mm to cm Y Y N TXM ~30 nm tens of m m Y Y N AFM ~? tens of m m N N N
SEM ~nm ~m m + With FIB Difficult 2D/N; 3D/Y TEM
~?
<100 nm thick
Y
Difficult
N
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J. Phys. D35（2002）R105, Y Hwu,Wen-Li Tsai, etal.
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X 射线成像可以干什么？
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X射线成像的优点
1.高空间分辨
2.高穿透性的无创成像
3.曝光时间短、成像速度快
4.可外加各种环境条件
（磁场, 温度场, 电场,压力等）
5.丰富的衬度机制
（吸收、相位、散射、荧光、吸收边等）
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从主要获得的样品信息分：
从成像空间分辨率大小分：
微米成像 纳米成像 吸收衬度成像
相位衬度成像
谱学信息成像（荧光、吸收谱等）
散射成像（暗场成像）
X 射线成像分类
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包括基于针孔成像原理的编码孔径成像 投影成像
衍射成像
透镜成像 针孔成像：
全息成像 相位衬度投影成像 传统吸收成像（胸片、医学CT 等）
全场成像
微探针扫描成像 成像
晶体干涉仪成像
相位传播成像(同轴成像)
衍射增强成像
光栅剪切成像 ……
相干衍射成像
本报告所述应用实例主要围绕相位衬度投影成像、全场成像和相干衍射成像方法展开
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3L interferometer
DEI In-line
Coherent diffraction
Grating analyzer based
Point-diffraction interferometer
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医学应用实例
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S. Grandl et al. / Z. Med. Phys. 23 (2013) 212–221
乳腺成像—1
a)源光栅； b)相位光栅； c)分析光栅； d)样品台； e)
探测器
组织学切片
重建的吸收像 重建的相衬像
与B 、C 图对应的柱状图
病例1
实验室光源光栅成像 Mo 靶70 mA @ 35 - 40 kVp 1200 p/360 & 11 steps 曝光时间5s 、总时间30h
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病例2
S. Grandl et al. / Z. Med. Phys. 23 (2013) 212–221
组织学切片(A)、吸收像(B)、相衬像(C)和与图BC 对应的柱状图
图A.1和图C.1中，(d) 指示粗化的管道dilated ducts ， (t)指示瘤tumor
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Anikó Sztrókay et al. Eur Radiol (2013) 23:381–387
Hu ——CT 值，表征密度大小的单位
乳腺成像—2
同步辐射光源光栅成像 23keV@ESRF-ID19 样品大小：2?2?2cm 3 1199p/360? & 4 sets
组织学切片像 吸收像 相衬像 5m m 切片
基于光栅的相位衬度方法有可能实现从离体成像到活体成像
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肝脏成像
Tohoru Takeda etal. Radiology 214(1):298-301
正常肝脏成像
结肠癌转移的肝脏成像 肝细胞癌组织成像（肝硬化）
视场：100mm ?100mm 样品：病理切片 样品厚度：5cm
同步辐射光源17.7keV ，30keV 不使用衬度增强剂 福尔马林溶液固定
光镜切片厚度10m m 标尺1mm
微气泡作为脉管系统造影剂
小鼠活体实验（现场）
商业化的微气泡（超声，1-10 m m 平均2.5m m），自制微气泡（1-22 m m 平均9 m m）用0.5 ml BaSO4(0.5 g ml?1) 对照组
瘤组织尺寸~ 1cm，样品厚度5mm，19keV@SSRF-BL13W
活体成像
(a)吸收像（探测器距离1cm）
(b)相衬像（探测器距离60cm）
曝光时间：5S
箭头指示为商业化微气泡线
R. Tang et al. Phys. Med. Biol. 56 (2011) 3503–3512
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离体肾脏成像
(a)无气泡增强剂
(c)商业微气泡
(e)自制微气泡(a)生理盐水，(b)商业微气泡，(c)自制微气泡
不同增强剂活体成像
活体肿瘤微气泡增强成像肿瘤脉管系统CT
R. Tang et al. Phys. Med. Biol. 56 (2011) 3503–3512
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小鼠脑部血管前向(a)和侧向(b)成像
37.6keV @ SSRF
活体鼠脑血管造影过程 34keV @ SSRF(标尺1mm) 小鼠全身血管成像 34keV @ SSRF
Ping Liu et al. J. Synchrotron Rad. (2010). 17, 517–521 造影剂： 碘、硫酸钡 同步辐射微血管成像
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肺泡快速CT
21keV , 2~13ms @ 901Projections, 总时间~10s
吸收
相位
全套CT 数据相应的辐照剂量:
(a)2.9 m m 有效像素尺寸 (b)1.1 m m 有效像素尺寸成像
Goran Lovric et al.
J. Appl. Cryst. (2013). 46, 856–860
样品直径~15cm ， 10%福尔马林溶液固定 70keV @ ID17 @ ESRF
有效像素尺寸：92 m m ?92 m m
四套CT 数据((+90%, +70%, ?60%, +40% of RC)
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DEI 乳腺CT
A Sztr ′okay et al., Phys. Med. Biol. 57 (2012) 2931–2942
Si(333)
Si(111)
DEI –CT 图像 (a) +90% of RC (b)+70% (c)-60% (d)+40%
(e)组织切片图 (f)吸收CT 图 C 图中
(1)肿瘤及边界 (2)脂肪组织 (3)腺体组织 (4)胶原纤维 (5)皮肤
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胰腺导管癌小鼠模型成像
不同CT 模式的纵切面断层像
SR 吸收 SR 相衬
实验室光源吸收 实验室光源相衬 MRI
组织切片 吸收
相衬
切片
Arne Tapfer et al. PLOS One 8(2013)e58439
光栅成像 SR: 35keV
Lab: 23keV @ 35kV
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人类染色体相干衍射成像
5keV @ Spring-8 BL29XUL
曝光时间：2700s (部分3400s) 28 or 56 projections @ -70?~70?
染色体电子密度三维重建结果
染色体CDI 图和重建的投影图
Yoshinori Nishino et al. PRL 102, 018101 (2009)
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能源领域应用实例
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页岩同步辐射微米成像
18keV ，1500p/180? 样品：φ1mm ?5mm
Waruntorn Kanitpanyacharoen et al. J. Synchrotron Rad. (2013). 20, 172–180
样品N1
样品B1
(a)轴向断层 (b)黄铁矿 (c)黄铁矿和低密度物质
(d)黄铁矿3D 分布 (e)黄铁矿和低密度相3D
原始图及数据处理流程
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锂电池失效研究
Martin Ebner et al. Science 342, 716 (2013)
化学成分演变过程
碳、粘接剂、电解相
SnO
每隔15min 采集一套CT 数据
还原(锂化)过程：110mAh/g @12h 氧化(去锂化)过程： 167mAh/g @5h
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颗粒裂化过程 纵切图
横切图
体积膨胀过程
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化学成分转变显微成像
X 射线XANES 显微成像过程
首次放/充电过程化学成分变化
Florian Meirer et al.
J. Synchrotron Rad. (2011). 18, 773–781
锂电池实时化学成分成像
首个(a-h)、次个(i-p)放/充电过
程CuO电极成像
Jiajun Wang et al. Chem. Commun., 2013, 49, 6480--6482
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生物学应用实例
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M. Uchida et. al., PNAS 106(46), 19375-19380 (2009)
M. A. Le Gros et. al., Curr. Opin. Struct. Biol. 15, 568-575 (2005)
Schematic diagram of XM1 @ BL6.1.2 ALS
“Water window”( 280~520eV)
“水窗”TXM 成像
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细胞亚显微结构软X 光成像
Gerd Schneider et al. Nature Methods 7(2013):985
U41-TXM @ BESSY II, HZB
250-800 eV
二维投影像@510eV ，标尺0.39 m m
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硬X 射线相衬显微镜生物样品成像
G.B. KIM et al.
MIcroscopy Research And Technique 71:639–643 (2008)
BL 1B2 @ PLS
肺癌细胞可见光(a)X 光 (b)成像（7keV ，t=30s ）
脱水处理的脐带血管内皮细胞成像
脱水处理的黑色素瘤细胞成像
金属(铜)扩散的肺组织可见光(a)X 光(b)成像
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神经细胞硬X 光成像
H. R. Wu et al.
J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 242001
BL 32-ID @ APS BL 01B @ NSRRC
8keV
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未染色细胞相干衍射成像
Jiang et al. PNAS, 107 (2010) 11234
BL29 @ Spring-8 酵母孢子@ 5keV
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酵母细胞 5.4 keV @ BL 6-2 @SSRL
J. Chen et al. Anal Bioanal Chem (2010) 397:2117
汞暴露的草根成像 9keV
富Se 介质生长的酵母细胞成像 8keV
J. C. Andrews etal., Journal of Physics: Conference Series 186 (2009) 012081
Hela 细胞成像
Chen et al.
Journal of Nanobiotechnology 2011, 9:14
不同细胞不同处理方2D成像
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材料领域应用实例
BSRF 38
加热条件下木材中微裂纹传播
激光加热装置
样品大小：2?2 ?2mm3
加热到350?C的过程中采集5套CT数据
3D重建图像的部分区域
Marjan Sedighi Gilani et al. Wood Sci Technol (2013) 47:889–896
BSRF 39 裂纹形态及扩展
气孔、导管、裂纹3D分布
BSRF 40