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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

1

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

BSRF 2

BSRF

3

X 射线成像及分类

BSRF

4

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

BSRF

5

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

BSRF

J. Phys. D35(2002)R105, Y Hwu,Wen-Li Tsai, etal.

6

X 射线成像可以干什么?

BSRF 7

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)

BSRF 8

BSRF

9

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

BSRF

10

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

BSRF

11

3L interferometer

DEI In-line

Coherent diffraction

Grating analyzer based

Point-diffraction interferometer

BSRF

12

医学应用实例

BSRF

13

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

BSRF

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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

27

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

BSRF 30

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