用于大尺寸样品的同步辐射硬X射线衍射增强成像方法研究

作为 X 射线相衬成像的方法之一,衍射增强成像方法由于能获得较高的信噪比及分辨率而引起了人们的研究兴趣。北京同步辐射装置(BSRF)形貌学实验站也开展了该方法的探索研究。此前的衍射增强成像方法中,当白光 X 射线光束横截面尺寸为 20 mm×10 mm 时,经过双晶单色器后最大只能获得横截面尺寸为20 mm×4 mm 的均匀单色 X 射线,从而造成成像区域减小。在对通常衍射增强成像光路排列分析的基础上,提出了一种新的光学排列几何并进行了衍射增强实验。应用新光学排列几何首次获得了与入射白光 X 射线尺寸相当的、大的成像光斑均匀区域,因而新光学排列几何更适合于大尺寸样品的研究工作。同时,该光学排列几何成像分辨率可以达到微米量级并且更方便于实验操作。

两块晶体的硬X射线衍射增强成像

硬X射线衍射增强成像(DEI)方法利用一块或一对放在样品和探测器之间的完美晶体(分析晶体), 把X射线(经过多块晶体单色化, 具有较高单色性和准直性)穿过样品时产生的透射光、折射光和散射光彼此分开来成像, 是一种和X射线相位变化梯度有关的成像方法, 能够大大提高弱吸收体硬X射线成像的衬度和空间分辨率. DEI成像的光路通常较为复杂, 入射光要经过多块晶体的衍射, 调节不便, 不利于实用化. 为了探索简化DEI方法的可行性, 在北京同步辐射装置(BSRF)仅用两块Si(111)单晶体(一块作同步辐射白光的单色器, 另一块作为Bragg模式的分析晶体)作了一系列DEI成像实验, 在摇摆曲线的十多个位置获得了衬度和分辨率均比吸收像明显提高的硬X射线衍射增强像, 并解释了分析晶体位于摇摆曲线不同位置时所得图像在明暗对比和成像衬度等方面的差别. 这是目前使用晶体最少的Bragg模式的DEI成像.

基于双能X射线透射成像与能量色散衍射的物质分类与识别虚拟仿真实验

X射线相关技术发展至今已逾百年。针对安检领域快速、准确应用要求,以双能X射线透射成像与能量色散X射线衍射技术相结合的复合式违禁品快速检测的前沿课题研究为基础,通过模拟实验场景和实验过程,设计基于X射线技术的物质分类与识别虚拟仿真实验。内容包含参观虚拟实验室与实验预习、系统搭建、实验操作与数据处理和实验拓展等多个模块,构建全过程、多环节在线教学环境,实现分层次教学。学生通过X射线技术分类识别物质的原理、方法和安全规范,加深对X射线与物质相互作用原理的理解,培养学生的实验能力、科学观察和创新思维能力。

衍射增强成像的若干基础问题研究 Ⅰ衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系

为了探讨X射线衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系,利用北京同步辐射光源4W1A光束线引出的硬X射线对大块正常和癌变的乳腺组织进行成像研究。在摇摆曲线顶部位置获得的图像(峰位图像)和表观吸收图像的衬度随X射线能量的变化关系是相似的,说明峰位图像和表观吸收图像包含的主要衬度相似,即吸收衬度,而折射图像的衬度随X射线能量的增大总体上呈现下降趋势。综合来看,对于乳腺类的软组织来说,DEI成像在低能量端有很好的衬度,反映了衍射增强成像更适合于主要由轻元素组成的物体的成像。

硬X射线成像仪量能器测试系统的设计与实现

硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager,HXI)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)的3大载荷之一,其中量能器作为其重要组成部分,承担着观测30–200 keV能段的太阳硬X射线的任务.在卫星发射之前,需要开展大量的测试工作,以确保HXI量能器的各项功能和性能满足设计需求.HXI量能器通道数众多,内含99个溴化镧探测器,分别由8块相同的前端电子学板控制.除了对各个通道的性能进行测试外,地检系统还需模拟量能器在轨面对不同太阳活动时的运行情况,对量能器进行全面完备的测试.此外,地检系统还需足够稳定,能满足量能器在单机测试、环境试验、热真空与振动等多个不同测试项目的长时间测试需求.为此,设计了地检板与上位机软件,结合放射源、直流电源、高压模块等组成一套HXI量能器的地检系统,对8块前端电子学板实现同步配置与管理,能高效完成指令发送与数据接收,满足量能器最大数据输出带宽400 Mbps的需求.利用该系统,在地面完成了HXI量能器的功能、性能验证,获得了量能器的线性、死时间、能量分辨率等各项性能指标,为HXI量能器的在轨高性能运行提供了保障.

基于X射线衍射增强成像的冠脉微循环障碍三维可视化及双参宁心胶囊作用研究

目的探索冠脉微血管三维可视化方法,观察双参宁心胶囊对大鼠冠状动脉微循环障碍(coronary microvascular dysfunction,CMD)冠脉微血管三维形态是否有改善。方法雄性健康SD大鼠随机分为三组:假手术组、模型组和双参宁心胶囊组,每组6只。双参宁心胶囊(90 mg/kg)组动物连续7 d灌胃给药剂量为1 mL/100 g,假手术和模型组灌胃等体积生理盐水,7 d后建立CMD模型,术后24 h处死取材。进行冠脉血管铸型及图像采集;开展心脏组织X射线衍射增强成像,将获得断层图像进行三维重建,观察冠脉微血管分布情况。结果使用自凝牙托材料可以快捷的制作大鼠冠脉血管铸型标本,可分辨的最小血管直径约为40μm;X射线衍射增强图像三维重建后得到冠脉微血管网的三维模型,最小可分辨直径10μm血管。血管铸型和X射线衍射增强成像均在一定程度上反应大鼠CMD时冠脉微血管空间分布改变,且可以观察到双参宁心胶囊干预对动物模型的冠脉微血管明显改善。结论X射线衍射增强成像方法能够在一定程度上构建出冠脉微血管网的三维可视化模型,可以观察到CMD大鼠冠脉微血管异常情况以及双参宁心胶囊具有增加冠脉微血管密度的作用。

电子计算机X射线断层成像薄层扫描及动态增强检查在周围型小肺癌诊断中的应用

目的评估电子计算机X射线断层成像(CT)薄层扫描及动态增强检查在周围型小肺癌诊断中的应用价值,以期为临床早期诊疗提供依据。方法选取焦作市疾病预防控制中心2020年3月至2022年12月期间收治的疑似周围型小肺癌患者204例作为研究对象,依据病理结果分成肺癌组(135例)与肺炎组(69例),统计对比两组CT影像特征,分析CT薄层扫描以及动态增强的诊断价值。结果肺癌组不规则形病灶、边界模糊、毛刺状边界、空泡、强化、血管侵犯占比均高于肺炎组(P<0.05);CT薄层平扫、动态增强联合诊断的敏感度、准确度均高于单一CT薄层平扫、动态增强(P<0.05);CT薄层扫描平扫、动态增强联合诊断分期结果和病理结果kappa值为0.916,高于单一检查方式(P<0.05)。结论CT薄层扫描联合动态增强检查应用于周围型小肺癌临床诊断中,具有较高诊断效能,并能为临床分期鉴别提供可参考依据,便于临床早期制定针对性治疗措施。

不同波长X射线对衍射增强成像的影响

为了研究不同波长X射线对衍射增强成像的影响,我们利用北京同步辐射光源4W1A光束线引出的硬X射线对肿瘤组织进行成像的研究。结果显示:表观吸收图像的可见度比在摇摆曲线顶部记录的峰位图像的可见度高,说明利用计算机图像重建可以提高图像的可见度;尽管折射图像的可见度不是很好,但其图像的层次感(衬度)会有所增加,便于图像的辨别;X射线波长较大(X射线能量较低)时,各种图像的可见度均比较高,可见长波长X射线有利于衍射增强成像。

双近贴式X射线像增强器成像不均匀性的分析与校正

分析了双近贴式X射线像增强器响应不一致性的产生机理,对每个像元建立了光电响应的数学模型.基于该模型,提出了一种改进的多点校正算法.该算法将对数曲线模型转化为线性响应模型,通过基于最小二乘法的两点拟合算法对图像数据进行校正.对比分析了校正前后图像的背景标准差及灰度分布曲线,实验结果验证了该方法的有效性.

大鼠肾X线衍射增强成像

目的探讨高衬度成像技术———同步辐射衍射增强成像(DEI)对肾脏成像的可能性。方法在北京同步辐射装置(BSRF)采用X线衍射增强成像法对离体的大鼠肾样品进行成像,成像样品的厚度分别为2mm和120μm。成像后的样品进行组织学切片,其结果和DEI结果进行对比分析。结果离体大鼠肾衍射增强成像可清晰显示常规成像方法无法观察到的走向清晰的髓质区直集合管和乳头管,以及常规需经造影处理才可见的小叶间动、静脉,最细可分辨直径为30μm的管道结构。结论同步辐射衍射增强成像法具有早期观察肾脏髓质病变及血管微细病变的潜力,该方法为目前影像学尚不能观察到的生物样品结构的成像提供了一种新的研究手段。

双近贴式X射线像增强器成像系统的三维噪音测量及其分析技术

针对基于双近贴式X射线像增强器的射线成像系统,提出了该系统的三维噪音测试及分析方法.分析了各噪音因子的含义,用三维曲线描绘出空间域和时间域噪音的分布情况,结合数字图像处理技术,测量了双近贴式X射线像增强器成像系统在微焦斑射线源四种照射条件下的三维噪音,并对其结果进行分析.分析表明,其结果与双近贴式X射线像增强器成像系统实际性能相吻合.

同步辐射X射线光斑信息对扫描相干衍射成像的影响

本文采用拓展重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了X射线光斑尺寸、扫描点数及波前形貌对扫描相干衍射成像重建图像质量的影响。结果表明,在实际入射光斑尺寸不易确定时,算法中初始猜测光斑尺寸可以由模拟入射光斑最大光强值的1%对应边界确定。对物体进行扫描时,入射光斑个数大于7×7且重叠度优于70%可以重建出较好的图像。入射光斑的振幅和位相分布对重建图像质量也有着显著影响。

基于X射线像增强器成像的相衬滤波模型

对铝、黄铜、不锈钢3种金属材料制作的光栅在不同射线剂量和厚度差异的条件下进行图像采集,结合系统级的联合调制评价模型研究不同材料对X射线的调制作用,结果表明:在相同的射线剂量下,无论哪种材料的光栅,厚度差异越大成像反差越大;在厚度差异相同的情况下,随着射线剂量变化,不同材料对射线的调制能力变化趋势相差甚远。对光学调制传递函数、射线剂量和光栅厚度差异值进行三维曲线拟合,建立物质对X射线的调制模型和采集模型。在像增强器成像模型的基础上提出X射线相衬增强滤波模型,通过对薄膜基准目标源进行图像采集,在噪声环境下对其进行积分滤波处理和相衬增强处理,结果压低了图像噪声的同时也强化了目标轮廓信息,并大幅地增强X射线的成像反差。

硬X射线相衬成像技术

本文介绍了近年来硬X射线位相衬度成像技术的发展状况,详细论述了X射线干涉相衬、衍射增强相衬,类同轴相衬等几种典型的成像原理.

空间太阳硬X射线成像仪量能器读出电子学设计

先进天基太阳天文台(ASO-S)是中国科学院空间科学先导专项2期规划的太阳观测卫星,其针对第25个太阳活动峰年,同时观测太阳磁场、日冕物质抛射和太阳耀斑爆发.硬X射线成像仪(HXI)作为该卫星3个科学载荷之一,实现了高时间分辨率和空间分辨率的太阳硬X射线成像观测,其量能器由99套溴化镧闪烁晶体-光电倍增管探测单元和读出电子学板构成,实现了30–200 keV的硬X射线光子能谱测量.针对HXI量能器的观测需求,设计了一套空间高事例率读出电子学系统,并通过实验室测试,证明了该系统单事例读出死时间小于2μs,同时验证了该系统电子学噪声小于120 fC,积分非线性小于2%,满足HXI仪器要求.

上海软X射线自由电子激光单脉冲成像定时的设计与实现

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是我国首台X射线自由电子激光用户装置,目前建有2条波荡器线、2条光束线以及5个实验站.装置可提供2—15 nm波长(80—620 eV)的X射线脉冲,用于高时空分辨的前沿科学研究.利用XFEL高亮度、短脉冲和全相干的特性实现单脉冲相干衍射成像,可以有效地减轻辐射损伤,提高图像的空间分辨率.SXFEL设计重复频率为50 Hz,实现单脉冲成像的关键在于通过定时系统能够精确地控制X射线脉冲到达样品点的时间,以确保只有一个脉冲被选中用于成像.同时,还需要与成像系统的触发进行同步,以确保成像系统在正确的时间采集X射线脉冲与样品作用后的图像.本文介绍了SXFEL单脉冲成像定时的设计与实现.通过单脉冲成像的结果表明该定时方案能满足在50 Hz的SXFEL开展单脉冲成像的需求.

HL-2A先进二维硬X射线成像CCD系统设计

为HL 2A装置设计了一种二维硬X射线成像CCD系统,用它能直接测量硬X射线辐射强度的二维时空分布I(x,y,t),并能得到电子速率分布fe(v,r,t)。为获得二级加热和无感电流驱动如ECH/ECCD,LHH/LHCD,ICRH/ICCD,NBIH/NBICD的效果、波可近性、共振层位置、能量沉积范围等方面的实验研究提供重要诊断手段;也可用于内破裂、大破裂、MHD,特别是q=2附近高模的MHD行为、热电子和超热电子的输运、被捕获的高能粒子图像以及与模式波(如m=1,n=1)共振引起的鱼骨模不稳定性、辅助加料引起和诱发逃逸电子雪崩现象的实验观察与研究。

硬X射线相衬成像在裸鼠肿瘤成像方面的研究

传统x射线对软组织的成像是目前的技术弱点。硬x射线是用x射线穿过物体后,x射线的相位改变作为成像因子,它对软组织有较好的成像效果。本课题用硬x射线成像对肝肿瘤组织和胃肿瘤组织进行成像。将25lμHCT-8人结肠癌细胞移植在裸鼠肝脏上,分别在3 d、4 d、5 d和6 d处死裸鼠,取出肝脏。用同样的方法培养裸鼠早期胃肿瘤,并在3 d和4 d后取出裸鼠胃。对标本进行硬x射线的成像方法即类同轴全息法成像。硬x射线可以对裸鼠肝肿瘤和胃肿瘤进行成像,并且图像分辨率在微米数量级,培养6 d的肝肿瘤可见肿瘤组织。也可清晰观察到3 d和4 d的胃肿瘤。硬x射线成像原理是一个用相位改变因子成像的模式,它的成像对微小物体有着微米级的图像分辨率,是影像学从宏观成像到微观成像的关键,对发现早期的病变组织有明显的优势。

硬X射线调制望远镜直接解调成像方法快速实现

针对硬X射线巡天望远镜具有的18个探测器的设计,本文给出了直接解调成像方法快速实现的两个途径。一是根据点扩展函数值中有大量零元的事实,给出了基于点扩展函数值的非零元的Lucy迭代计算和存储方法;二是将直接解调成像方法中Lucy迭代改为观测数据按一定方式分组排序的Lucy迭代。数据实验表明,本文方法大幅度提高了直接解调成像的速度。

小样本下基于改进ACGAN数据增强的X射线矿石图像分类方法

针对工业领域利用深度学习模型对矿石进行在线分类时,矿石样本稀少导致的模型过拟合、分类准确率低的问题,提出一种结合X射线透射成像技术的矿石数据增强分类方法。该方法基于改进辅助生成对抗网络(Enhance-based Classification ACGAN-gp, EC-ACGAN-gp),采用卷积和连续残差块构建判别器和生成器,引入注意力机制捕捉矿石细节特征,生成高质量样本扩充原始数据集,同时使用带梯度惩罚的Wasserstein距离重构判别器的损失函数提高对抗训练的稳定性,避免模式崩溃。通过增加辅助分类器重建样本标签信息,最终实现矿石样本的类别预测。结果表明,该方法能实现矿石品位分类的精准预测,准确率可达89.62%,比现有传统方法提高3.98%。该模型生成的矿石样本泛化性良好,能够显著提高小样本数据集的泛化性,在SVM、LeNet5、VGGNet、ResNet上测试,精度分别提升了2.83%、2.36%、1.89%和3.74%,可进一步用于提升其他分类模型在矿石品位预测方面的性能。