肖體喬 謝紅蘭 鄧彪 杜國浩 陳榮昌

1 引言

1895年11月8日，德國著名物理學家威廉·康拉德·倫琴在進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)學診斷上，第2年就提出了用于治療的設想。由于X射線的波長比可見光短得多，利用它成像可以達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)部結構進行無損成像，這在醫(yī)療診斷等無損檢測領域有很好的應用。X射線醫(yī)療影像技術以及其他相關X射線成像技術迅速地發(fā)展起來，已成為醫(yī)學、生物學及材料科學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射線成像的襯度機制，除傳統(tǒng)的吸收襯度外，還有相位襯度、化學襯度、元素襯度、磁二色襯度等，大幅拓展了X射線成像的應用領域，如生物醫(yī)學、考古、地球物理、納米科學和電子工業(yè)等。基于相位襯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，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，近些年高時間分辨的SR-μCT也得到了廣泛的關注。X射線成像已成為同步輻射領域的一項主流技術，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裝置，在科學界和工業(yè)界有著廣泛的應用價值。X射線成像與生物醫(yī)學應用線站（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)外學術刊物上發(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、材料、古生物、考古、土壤等眾多研究領域取得了顯著成果。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)學工程材料對骨缺損修復的促進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。結合動態(tài)成像和顯微CT技術，實現(xiàn)了微波陶瓷燒結過程的動態(tài)觀測。在古生物領域，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)部三維結構的亞微米分辨成像。此外，在土壤孔隙的三維團聚結構，頁巖氣（油）顯微結構定量分析，發(fā)動機燃油噴霧動態(tài)成像等方面也取得了重要研究成果。為滿足不同學科領域用戶研究的需求，上海光源X射線成像組在X射線成像方法學研究方面進行了持續(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、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及相關應用兩個方面，介紹上海光源X射線成像組的最新研究進展。

2 方法學研究

上海光源X射線成像組開展了多種X射線成像方法學研究，主要有同軸相位襯度成像（IL-PCI）相位恢復研究、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、材料科學、環(huán)境科學、植物學、考古學等諸多領域都有廣闊的發(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)過相位恢復技術，IL-PCI得到的是樣品的邊緣增強圖像，只能用于定性研究。相位恢復能從IL-PCI采集到的圖像重構出樣品相位信息并用于定量研究，受到研究人員的廣泛關注。IL-PCI結合CT技術，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)部微細結構，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單距相位恢復算法和多距相位恢復算法都開展了相關研究。

2.1.1 基于單幅成像的相位恢復算法

一般來說，相位恢復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)進行相位恢復，將會解決上述問題。在單距相位恢復算法中，由Bronnikov算法改進而來modified Bronnikov algorithm（MBA）算法簡單直接，結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算法相結合，通過模擬和實驗相結合，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算法

單距離相位恢復方法由于其算法穩(wěn)定性高，實驗與數(shù)據(jù)處理快捷方便等優(yōu)點已經(jīng)在諸多領域得到廣泛應用，然而，當將它應用于如骨頭、血管等復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，多距離相位恢復方法可以顯著提高相位恢復精度，但也相應地增大了樣品所受的輻射劑量以及算法復雜度和數(shù)據(jù)處理難度。相比于這些方法，兩距離相位恢復是一種很好的折中方法，它不僅能適當提高定量恢復精度，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方法使用效率和恢復精度的關鍵因素。

基于Born近似相位恢復算法，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線站進行。通過引入均方根誤差（RMSE）和頻譜相關度（SCD）來分別衡量相位恢復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行相位恢復，根據(jù)RMSE和SCD指標總結出達到最高精度的兩距離優(yōu)化選擇方法。

結果顯示，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的選擇也會對恢復結果產(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，用于相位恢復的兩幅相襯像之間不僅要具有良好的頻譜相關性，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精度。兩距離相位恢復優(yōu)化方法的RMSE小于0.08，在輻射劑量和恢復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，通過測量元素的特征X射線熒光，結合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。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)，目前該方法已應用于多個領域的研究，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)射計算機斷層成像術（SPECT）重建算法相關研究結果的啟發(fā)，將有序子集期望值最大化（OSEM）算法應用到了XFCT 重建中。OSEM是正電子發(fā)射斷層成像術（PET）和SPECT中常見的重建算法，它以統(tǒng)計理論為基礎，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果。以SD大鼠硬化肝為樣品，對其內(nèi)部的Zn元素分布進行了重建。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，它可以獲得非結晶樣品的高分辨率三維結構信息。CDI方法利用“過采樣”采集樣品的遠場相干衍射圖樣，結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到5 nm左右），而且可以獲得樣品內(nèi)部的三維結構信息。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，進而得到質(zhì)量密度的三維分布。

CDI的一個關鍵步驟是相位重建，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性，直接減背景后部分像素點的誤差反而增大，最終導致相位重建失敗。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)邊界約束條件會導致重建結果不完整及出現(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)部結構三維無損成像研究的能力。

SRS-μCT實驗設備搭建，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)有重要的指導意義。SRS-μCT實驗設備搭建圖中，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構。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行相應的初始視角轉(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重構三維像及若干截面圖，整個結構的長度為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)部細節(jié)。實驗結果表明，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 應用研究

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

3.1 中藥材顯微特征結構

中藥顯微鑒定是利用顯微鏡來觀察藥材的組織構造、細胞形狀以及細胞內(nèi)含物的特征，用以鑒定藥材的真?zhèn)巍⒓兌壬踔疗焚|(zhì)?，F(xiàn)有的中藥顯微鑒定手段，包括光學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構鑒定信息。我國政府近幾年發(fā)表聲明稱要使中藥標準化，要加強中藥的基礎和臨床研究，對出口中藥制劑的測試和發(fā)展進行改進?；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為中藥材的顯微結構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)部結構的高襯度成像。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)其特征結構的無損成像。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構。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構研究的工作。人參中主要用于顯微特征鑒定的輸導組織是導管，在本實驗中用到的七等野山參，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)其導管多數(shù)是螺紋導管結構，導管均為螺紋導管，其直徑約為39 μm。園參中主要也是螺紋導管，大小在38 μm左右。簇晶的結構及大小分布是用于人參顯微鑒別的又一特征結構。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)晶瓣比較平鈍的結構。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構。

3.2 藥劑粉體三維結構

不同藥物制劑具有各自獨特的釋藥行為，而結構特征是其給藥系統(tǒng)發(fā)揮最佳藥效的基礎?？蒯屩苿┧幬锵啾绕胀ㄖ苿┯醒娱L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構研究。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構的動態(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鍵內(nèi)在結構因素。粉體混合是藥劑學的基礎單元操作，充分均勻混合是保證固體制劑含量均一的關鍵，但實際生產(chǎn)中受機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，具有重要的方法學意義和應用價值。

3.3 新型骨修復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，其高準直的單色光及相襯成像方法非常適合進行生物組織結構的定量分析研究。適合骨組織再生的生物材料應具有生物學上有益的屬性，如生物活性、生物相容性、機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劉昌勝、魏杰研究組密切合作，開展了復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本植入兔股骨缺損3個月后成骨作用對骨微觀結構的影響和支架降解，使用SR-μCT的組織形態(tài)學定量分析。SR-μCT是在醫(yī)學成像應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)計量學相比，SR-μCT提供更高的空間分辨率和對比度，有利于更準確地區(qū)分新生骨和剩余的骨修復材料。在獲取斷層掃描圖片后，使用VG Studio MAX 2.1軟件進行數(shù)據(jù)的三維可視化重建，使用MicroView 2.2高級骨骼分析應用軟件進行骨放射形態(tài)學分析。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果，同時計算出各部分的骨礦物密度（BMD）。

在植入手術完成4周與12周后，對實驗兔進行SR-μCT分析，以評估復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 材料的定量結構表征

SR-μCT以其高空間分辨及高精度等優(yōu)點，在各科學領域有著廣闊的應用。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)預測材料成分微結構的數(shù)學模型，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行計算，得到各成分定量分布信息及三維顯微結構。該方法使用多個獨立測量的數(shù)據(jù)，得到結果的精度更高，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。

氧化腐蝕使金屬結構產(chǎn)生變化，疏松、起層、粉化，致使失去金屬應有的性狀，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構對了解、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，配準及DCM計算，得到樣品的成分分布。結果表明，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。該結果與聚焦離子束物理切片結果吻合，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構是決定其力學性質(zhì)和水文特性的重要因素，進一步可關系到石油及天然氣的開采，二氧化碳地質(zhì)的封存，因此研究其三維結構就顯得異常重要。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數(shù)分別為15%，81%和4%。該結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 結論

自上海光源2009年正式對外開放以來，為更好地服務用戶并發(fā)揮大科學裝置的應用潛力，上海光源X射線成像組結合用戶需求和實驗需要，開展了多種X射線成像方法學及其應用研究，取得了一批重要的研究成果。目前X射線成像技術正朝著定量成像、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?！?/p>