[发明专利]具有三种定量成像机制的纳米CT三维成像方法

说明书

本发明公开了一种具有三种定量成像机制的纳米CT三维成像方法，包括以下步骤：首先根据角度信号响应成像机制，在X射线微分相位衬度显微镜像面拍摄样品各转角的谷位放大像、上坡放大像、峰位放大像、下坡放大像，其次根据三种定量成像机制，在X射线微分相位衬度显微镜物面上重建样品各转角的二维吸收衬度像、二维折射衬度像和二维散射衬度像，然后根据逆Radon变换，重建样品的线性吸收系数三维像、线性散射系数三维像、折射率实部衰减率三维像和折射率实部衰减率导数三维像。通过上述方法可以对直径5μm以上的完整细胞进行三维成像，分辨率达到纳米量级。

技术领域

本发明涉及纳米分辨X射线显微镜成像技术领域，尤其涉及具有三种定量成像机制的纳米CT三维成像方法。

背景技术

X射线显微镜为核心的纳米CT是继光学显微镜和电子显微镜之后，人类科学技术发展的又一结晶，正在为人们打开一扇新的观察微观世界的窗户，成为人类科学发展新的生长点。X射线与可见光一样，成像机制多样，衬度来源丰富，如吸收、相移、折射、散射、荧光等信息都可用来观察分析多种物理变化、化学反应和纳米结构。

X射线纳米CT技术对多个学科领域的发展产生了强大的推动作用，然而，仍然远不能满足科学研究在性能和使用便利等方面日益增长的迫切需求。

例如，“水窗”软X射线对蛋白质等生物样品的吸收系数比水的吸收系数高一个数量级，可为含水生物样品成像提供天然的衬度增强机制，可是以“水窗”软X射线显微镜为核心的纳米CT受到两方面的限制。一方面，“水窗”软X射线的穿透力较弱，当“水窗”软X射线对直径大于10μm的细胞成像时，其透射光强不到入射光强的5％；另一方面，“水窗”软X射线显微镜没有足够的景深，当分辨率为60nm时，“水窗”软X射线显微镜约有5μm的景深，而当分辨率为50nm时，景深缩短为3.4μm，当分辨率为30nm时，景深进一步缩短为1.3μm。由此可知，“水窗”软X射线显微镜不适合对直径5μm以上的完整细胞进行纳米分辨三维成像，而大部分哺乳动物细胞的直径约为10μm，肿瘤细胞尺寸通常都大于10μm，肝细胞直径甚至达到20～30μm。

又如，硬X射线的穿透力较强，硬X射线显微镜具有足够的景深，可是硬X射线显微镜一直没有解决相位衬度定量化难题，致使以硬X射线显微镜为核心的纳米CT难以在轻元素材料和生物样品的三维成像中有所作为。在厚样品三维成像时，相位衬度定量化遇到两方面的困难，首先相位衬度是样品厚度的周期函数，从周期振荡的相位衬度中定量解出相位是困难之一；其次吸收衬度是样品厚度的单调函数，从吸收衬度和相位衬度混在一起的成像衬度中定量分离出吸收和相位各自的贡献是困难之二。国际上有人提出利用微分相位衬度实现定量化的研究思路。2002年B.Kaulich等人提出利用错位双波带片透镜成像获得微分相位衬度，2003年E.Fabrizio和2011年T.Nakamura等人提出利用特殊设计的双焦点衍射光学元件来获得微分相位衬度。双焦点方法有两个缺点，首先在双焦点方向成像分辨率会降低，其次双焦点元件的衍射效率都不高。2009年Momose等人把光栅引入日本SPring-8同步辐射光源BL20XU光束线上的X射线显微镜，利用Talbot光栅干涉仪获得了轻元素样品的孪生相位像。该方法的优点是能获得轻元素样品的相位像，不足之处在于孪生相位像错位重叠在一起，需要繁琐的图像处理，才能从中分离出不受孪生像干扰的相位像。相位衬度定量化难题长期以来困扰着纳米CT研究领域。

发明内容

本发明的目的提供一种具有三种定量成像机制的纳米CT三维成像方法，用以解决现有纳米CT在景深和相位衬度定量化方面遇到的难题，为直径5μm以上的完整细胞进行纳米分辨三维成像提供解决方案。

本发明提供的一种具有三种定量成像机制的纳米CT三维成像方法，包括以下步骤：

根据三种定量成像机制，在X射线微分相位衬度显微镜物面上重建样品各转角的二维吸收衬度像、二维折射衬度像和二维散射衬度像，其中，

在X射线微分相位衬度显微镜物面上重建样品各转角的二维吸收衬度像表达为：