中国科学院物理研究所
北京凝聚态物理国家研究中心
L05&L04组供稿
第20期
2018年04月10日
超低辐射X射线鬼成像
X射线成像作为一种有效的诊断方法被广泛应用于人类社会生活和科学研究的方方面面。从普通便携式X射线管到实验室台面激光等离子体X射线源，再到大型同步辐射以及自由电子激光，现如今人们已经可以将X射线的脉宽、源尺寸、亮度等参数提升到一个前所未有的高度。但是，现有的成像方式如透视成像和相衬成像等，其本质都是通过累计光子信号以达到一定的图像衬度，因此高剂量导致的辐射伤害始终不可避免，在人体影像学上甚至有诱发癌变的风险。因此一直以来人们都在致力于寻找降低使用X射线过程中辐射剂量的方法，但是成像质量和辐射损伤的瓶颈始终无法突破。而“鬼”成像由于其独特的成像特性，很早就实现了可见光波段的弱光成像，带来了实现超低辐射的X射线成像的可能。
鬼成像最早称为量子关联成像，也称为单像素相机成像。作为一种间接成像的方式，通过分束测定或预设置照射在物体上的光场分布，将其与经过物体的投射（或反射）总光强进行统计关联运算便可复原物体的图像。在计算鬼成像中，用空间调制的光照射物体，只需要一个没有空间分辨的单像素探测器（即“桶”探测器）测量物光的一系列光强度值即可得到图像信号。这样不仅可以大大降低对探测器的要求，并避免光能量分配在面阵式CCD的每个像素上，从而提高物光信号的强度，降低散粒噪声的影响，提高信噪比。成像原理上的不同使得鬼成像的方法比起传统成像而言不仅可以实现超分辨率的成像，还可实现极弱光照下的成像。可见、近红外光波段的鬼成像可以通过分光的方式测量照射在物体平面的光场分布，或者用空间光调制器制造可控的散斑场。但是在X射线波段没有合适的分束器件或功能类似于空间光调制器的器件，所以一直以来X射线鬼成像(XGI)难以实现。在原理上，如果采用传统的基于衍射的X光分光，则需要超强的X射线源及超稳定的平台，而基于相位调制的XGI对于源的相干性提出了较高的要求。目前已报道的实验结果基本上都是基于大型同步加速器辐射源对简单的一维物体进行长时间测量，且成像效果较差。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室长期从事量子成像的吴令安研究员、长期研究X射线成像的陈黎明研究员合作，分别指导博士生张艾昕、何雨航，在国际上首次利用便携式X射线源实现了对二维物体和真实生物体的超低剂量XGI。他们利用砂纸上随机分布的碳化硅颗粒对X射线光场进行振幅调制，预先记录物体平面的一套清晰的散斑图；采集物光时，降低每次采样的时间将X射线强度衰减到单光子量级，CCD的面积分作为桶探测器记录下总光强，最后通过关联运算成功还原出物体的像。实验结果表明：和传统透射成像方式相比，在弱光的情况下利用鬼成像的方式可以获得比传统透视成像更高的衬噪比；在获得相同衬噪比的情况下，利用鬼成像的方法可以大幅降低成像过程中的辐射剂量。该工作首次在实验上用一种简单的方式验证了超低辐射XGI的可行性，为后续的三维X射线鬼成像以及生物医疗上的实用化应用打下了坚实的基础。
以上研究成果已在线发表于Optica 5, 374-377 (2018)。美国《科学》期刊的News in Depth栏目也重点报道了该项工作，并被选为当期的Top Stories。其中同领域专家对此进行了高度评价：如首次在同步辐射装置上实现XGI的Pelliccia教授对此项工作的评论是：“They have lowered the x-ray dose by about a million times compared with earlier attempts. The potential payback, if it works for medical images, is big.”。MIT的Shapiro教授也表示：“If you could reduce the amount of x-ray exposure that women suffer in getting mammograms, or in chest exams, that would be a big deal.”。
该工作得到了科技部（2017YFB0503300）、国家自然科学基金（11334013,11721404,61675016）、中科院先导专项（XDB17030500）以及国防工业技术发展（JCKY2016601C005）有关项目基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000374
Science报道：http://www.sciencemag.org/news/2018/03/x-ray-ghost-images-could-cut-radiation-doses?utm_campaign=news_daily_2018-03-28&et_rid=371751160&et_cid=1938361
鬼成像最早称为量子关联成像，也称为单像素相机成像。作为一种间接成像的方式，通过分束测定或预设置照射在物体上的光场分布，将其与经过物体的投射（或反射）总光强进行统计关联运算便可复原物体的图像。在计算鬼成像中，用空间调制的光照射物体，只需要一个没有空间分辨的单像素探测器（即“桶”探测器）测量物光的一系列光强度值即可得到图像信号。这样不仅可以大大降低对探测器的要求，并避免光能量分配在面阵式CCD的每个像素上，从而提高物光信号的强度，降低散粒噪声的影响，提高信噪比。成像原理上的不同使得鬼成像的方法比起传统成像而言不仅可以实现超分辨率的成像，还可实现极弱光照下的成像。可见、近红外光波段的鬼成像可以通过分光的方式测量照射在物体平面的光场分布，或者用空间光调制器制造可控的散斑场。但是在X射线波段没有合适的分束器件或功能类似于空间光调制器的器件，所以一直以来X射线鬼成像(XGI)难以实现。在原理上，如果采用传统的基于衍射的X光分光，则需要超强的X射线源及超稳定的平台，而基于相位调制的XGI对于源的相干性提出了较高的要求。目前已报道的实验结果基本上都是基于大型同步加速器辐射源对简单的一维物体进行长时间测量，且成像效果较差。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室长期从事量子成像的吴令安研究员、长期研究X射线成像的陈黎明研究员合作，分别指导博士生张艾昕、何雨航，在国际上首次利用便携式X射线源实现了对二维物体和真实生物体的超低剂量XGI。他们利用砂纸上随机分布的碳化硅颗粒对X射线光场进行振幅调制，预先记录物体平面的一套清晰的散斑图；采集物光时，降低每次采样的时间将X射线强度衰减到单光子量级，CCD的面积分作为桶探测器记录下总光强，最后通过关联运算成功还原出物体的像。实验结果表明：和传统透射成像方式相比，在弱光的情况下利用鬼成像的方式可以获得比传统透视成像更高的衬噪比；在获得相同衬噪比的情况下，利用鬼成像的方法可以大幅降低成像过程中的辐射剂量。该工作首次在实验上用一种简单的方式验证了超低辐射XGI的可行性，为后续的三维X射线鬼成像以及生物医疗上的实用化应用打下了坚实的基础。
以上研究成果已在线发表于Optica 5, 374-377 (2018)。美国《科学》期刊的News in Depth栏目也重点报道了该项工作，并被选为当期的Top Stories。其中同领域专家对此进行了高度评价：如首次在同步辐射装置上实现XGI的Pelliccia教授对此项工作的评论是：“They have lowered the x-ray dose by about a million times compared with earlier attempts. The potential payback, if it works for medical images, is big.”。MIT的Shapiro教授也表示：“If you could reduce the amount of x-ray exposure that women suffer in getting mammograms, or in chest exams, that would be a big deal.”。
该工作得到了科技部（2017YFB0503300）、国家自然科学基金（11334013,11721404,61675016）、中科院先导专项（XDB17030500）以及国防工业技术发展（JCKY2016601C005）有关项目基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.000374
Science报道：http://www.sciencemag.org/news/2018/03/x-ray-ghost-images-could-cut-radiation-doses?utm_campaign=news_daily_2018-03-28&et_rid=371751160&et_cid=1938361
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| 图1 实验布局图（a）利用CCD1预记录参考散斑场（b）利用CCD2记录透过物体剩余的光强值；物体和CCD1处于同一平面（c）直通X射线的强度分布 |
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| 图2 物体和图像 （a）“CAS”物体实拍图（b）利用鬼成像采样10000张重构出的“CAS”图像（c）贝壳实拍图（d）利用直接透射成像CCD1曝光10s得到的贝壳图像（e）利用鬼成像采样10000张重构出的贝壳图像 |
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| 图3 利用CCD2的成像结果（a）利用鬼成像采样10000张重构出的图像（累计总曝光时间10ms）；衬噪比为0.5；（b）利用直接透射成像CCD2曝光10ms得到的图像；衬噪比为0.13；（c）鬼成像和透射成像方式得到的图像衬噪比随总曝光时间变化图 |