2. 中国科学院大学 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
衍射增强成像也称为基于晶体的相位衬度成像，自1997年Chapman等[1]正式命名了衍射增强成像(Diffraction Enhanced Imaging, DEI)以来，一直是相位衬度成像方法研究的热点之一。随着对DEI成像技术及相关方法的研究逐步完善[2-6]，其在医学、生物学以及材料等众多领域都展现了广泛的应用前景[7-10]。
衍射增强成像中，成像系统的灵敏度与所使用晶体摇摆曲线的宽度相关，而同等条件下，摇摆曲线的宽度与晶体的结构因子即衍射晶面指数相关。目前，DEI常使用Si(111)、Si(220) 及相应的高指数面Si(333)、Si(440) 等开展成像实验，这样可以利用Si(111) 或Si(220) 晶体的高级衍射来获得更高的成像灵敏度[11-15]。比如，Rigon等[16]在意大利光源利用Si(111) 及相应的高指数面对标准样品进行了两维成像实验。实验结果显示，相比于Si(111) 晶面来说，利用Si(333) 和Si(444) 晶面进行DEI实验可以使灵敏度提高约5倍。
衍射增强成像中，为了获取样品的吸收、折射和散射等信息，需要在摇摆曲线的不同位置分别采集图像。因此，要求在摇摆曲线特定位置采集图像时成像系统要保持稳定。虽然二维投影像的曝光时间很短，但对于三维电子计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)数据采集而言，要求在样品旋转整个投影角度范围的时间内，系统一直保持在摇摆曲线的特定位置。这样，对于高指数面晶体来说，其摇摆曲线半高宽越窄，对成像系统的稳定性要求就越高。另一方面，晶体摇摆曲线的作用相当于一个X射线光子的角度滤波器，当摇摆曲线越窄时，实际成像X射线的光通量越小，虽然可以通过增加曝光时间保证所获得图像的灰度值保持一定的水平，但成像信噪比必然会受到影响。此外，利用Si(440) 或Si(333) 晶体等高级衍射指数面进行DEI成像时，需要利用吸收片挡住初级衍射光，但吸收片同样会对高级次的衍射光产生部分吸收，这样势必减少成像可用的X射线光子数。
基于此，我们在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)现有Si(111) 衍射增强成像的基础上搭建了高灵敏度的成像系统，选用摇摆曲线半高宽介于Si(111) 和Si(333) 之间的Si(400) 晶面开展相关实验验证，同时也基于所搭建的装置开展了Si(333) 衍射面的成像实验验证。
1 高灵敏度DEI成像系统的搭建 1.1 硬件搭建BSRF 4W1A光束线是开展成像研究的专用光束线[17-18]，该光束线具有白光束线工作模式。当工作在白光模式时，实验站可开展DEI实验，现有的基于Si(111) 晶体的DEI实验装置示意图如图 1所示。其中，第一块晶体的作用类似于单色器，主要作用是从白光X射线中选择特定波长的单色X射线；第二块晶体也称为分析晶体，其作用是对经过样品的X射线进行角度选择，穿过样品的单色光X射线经过分析晶体衍射后在探测器上形成图像。
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图 1 BSRF衍射增强成像实验装置示意图 Figure 1 DEI experimental set-up at BSRF. |
高灵敏度DEI成像系统硬件的搭建主要关键点有两个方面：一是开展高指数面DEI成像实验时，由于摇摆曲线的半高宽更小（比如Si(333) 晶体在15keV和20keV时摇摆曲线的理论半高宽只有1.15"和0.82"），因此需要更高转动精度的转台；二是尽力保证所选用晶体的摇摆曲线半高宽数值与理论值接近。
对于第一个关键点，我们经过选型，最终选用了日本KOHZU公司的KTG-15D高精度转台（角度转动分辨率为0.005"），保证了实验需要的角度精度。
对于第二个关键点，由于晶体的实际摇摆曲线半高宽的数值大小受晶体质量、晶体加工应力残余和晶体安装应力等因素的影响，所以我们重点从这三个方面开展工作。晶体质量方面，区熔法生长的单晶硅棒料晶格完美性更高，因此选用了区熔法生长的单晶硅棒料用来加工需用的晶体原件。加工方面，利用BSRF建设的晶体加工条件特别进行了低应力加工，并在机械加工完成后进行了化学抛光处理，保证了加工应力残余的最小化。晶体安装方面，设计了专用的L型晶体支架避免了夹持安装，使安装好的晶体基本处于自由状态，仅通过点蜡固定的方式尽可能减少了安装带来的应力。
在此基础上，为了保证高灵敏度DEI-CT实验的数据采集时间要求，需要系统能够保持足够的稳定性。所搭建的高灵敏度DEI装置照片见图 2。
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图 2 高灵敏度DEI实验装置 Figure 2 High sensitivity DEI experimental set-up. |
对所搭建的高灵敏度DEI系统开展摇摆曲线检测，既可以测试转台的转动精度是否足够，又可以检测晶体质量、加工应力残留和安装应力的影响。在图 2装置中，不放样品时，使用电离室作为光强探测器分别对Si(111)、Si(400) 和Si(333) 三组晶体在X射线能量为15 keV时进行了摇摆曲线检测，结果如图 3所示。利用图 3数据进行高斯拟合可得到15keV能量下Si(111)、Si(400) 和Si(333) 双晶摇摆曲线的实验半高宽分别为5.99"、2.28"和1.11"。
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图 3 15 keV能量下不同晶面的实验摇摆曲线 Figure 3 Experimental rocking curves of different diffraction planes at 15keV. |
为了和晶体理论摇摆曲线的宽度进行对比，我们使用XOP软件[19]分别对所选用晶体衍射面进行了理论摇摆曲线计算。本文利用XOP2.3版本，选择15keV能量下在-10"-10"角度范围内，扫描200个点并进行自卷积之后得到的理论摇摆曲线图如图 4所示，同时可计算三种摇摆曲线的理论半高宽分别为5.20"、2.36"和1.14"。
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图 4 15keV能量下不同晶面的理论摇摆曲线 Figure 4 Theoretical rocking curves of different diffraction planes at 15keV. |
对比实测摇摆曲线和理论摇摆曲线的半高宽数值，两者基本相符，只存在很小的差值。Si(400) 和Si(333) 晶体的实测值比理论值要小，这主要是所采集的这两套数据不完备造成的。虽然摇摆曲线尾部的数据对信息分离提取的影响不大，但是对摇摆曲线的获得还是有影响的。实测结果虽然有一定的偏差，但也足以说明实验采用的晶体接近完美晶体，所搭建的高灵敏度DEI成像系统可以进行成像实验。
2 DEI成像实验验证为了确定所搭建的高灵敏度DEI系统的实际可用性，按照常规DEI成像的数据采集过程进行了实验验证工作。
2.1 实验样品及实验过程实验样品包括标准样品和实际生物样品。标准样品是国际上专门用于鉴定乳腺成像质量的模型样品(Mammographic Accreditation Phantom, RMI 156)，该样品含有16种结构分别用来模拟人体乳腺中的钙化点、导管纤维结构以及肿瘤组织，如图 5所示。实际生物样品大小分别约为8mm×15mm的小鼠肝脏样品和8mm×8mm的甲虫标本样品，其中甲虫标本样品放置在一个塑料离心管中。
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图 5 乳腺模型样品的结构示意图 Figure 5 Internal structure diagram of the model RMI 156. |
成像探测器选用了英国Photonic Science公司的VHR-16M X射线电荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)探测器(VHR-16M High resolution X-ray Imaging Camera system, Photonic Science Limited)，其像素尺寸7.4µm×7.4µm、像素阵列为4872×3248。
实验时储存环电子能量为2.5GeV、束流强度为250mA（top-up模式），样品距离光源点约43m，实验装置如图 2所示。
实验分别使用Si(111)、Si(400) 和Si(333) 晶体在15keV的X射线能量下进行了DEI数据采集。对于Si(400) 晶体的实验，因为是一级衍射，所以无需使用吸收片阻挡初级衍射光。对于Si(333) 晶体的实验，所采用的是三级衍射，其初级衍射光为5keV的X射线，可以容易地使用吸收片进行阻挡且对15keV射线光子吸收可忽略。
实验过程中也尝试使用Si(400) 晶体的二级衍射光即Si(800) 晶面开展实验，但由于Si(800) 摇摆曲线更窄，实际可用光子数更少，加上用于阻挡7.5keV初级衍射光的吸收片会对15keV光子有部分吸收，导致单张图像的曝光时间需要在几十秒级别，在现有条件下还不具备可用性。
对于标准样品，实际实验过程中由于成像视场的限制，我们只选用了其中的5号结构进行了实验。5号结构是直径0.54mm的尼龙纤维，用来模拟人体乳腺中的导管纤维结构。对标准样品和小鼠肝脏样品在整个摇摆曲线范围的不同位置采集投影像，利用Si(111) 晶体时采集间隔0.1"（共采集64张图像），曝光时间80ms。利用Si(400) 晶体时采集间隔0.1"（共采集29张图像），曝光时间500ms。利用Si(333) 晶体时间隔0.05"（采集41张图像），曝光时间1200ms。对于高指数面的晶体，通过增加曝光时间基本保证了所获得图像的灰度值基本一致。对甲虫样品，我们分别在三种晶面摇摆曲线的峰位采集CT数据，CT数据采集的投影范围为180°，角度间隔为0.25°。
2.2 标准样品成像结果图 6为标准样品中的5号结构（尼龙纤维）利用Si(111)、Si(400) 和Si(333) 晶体得到的DEI峰位投影图像。可以看出在Si(111) 摇摆曲线峰位拍摄到的图像中几乎没有可见结构（图 6(a)），而Si(400) 摇摆曲线峰位拍摄的投影像可以看到纤维的边界（图 6(b)），Si(333) 摇摆曲线峰位拍摄的投影像的边界更加清晰（图 6(c)）。
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图 6 15 keV能量下利用Si(111) (a)、Si(400) (b)和Si(333) (c)晶体采集的乳腺模型样品5号结构的峰位投影 Figure 6 Peak image of No.5 structure in RMI 156 acquired with different crystals. (a) Si(111), (b) Si(400), (c) Si(333) |
为了进行定量的对比，我们采用边界可见度对图像进行了定量分析，其定义如下[20]：
| $V = \frac{{{I_{\max }} - {I_{\min }}}}{{{I_{\max }} + {I_{\min }}}}$ | (1) |
式中：Imax和Imin分别为所选择边界邻近区域内像素点的最大强度值和最小强度值。
利用Si(111)、Si(400)、Si(333) 三种晶体对5号结构样品的投影图，提取出样品中间30行5列区域像素强度值并归一化后得到本征摇摆曲线，如图 7中I/I0所示；在5号结构右侧边界附近选择5行20列的像素区域，利用式(1) 计算边界可见度得到的结果见图 7。
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图 7 不同晶体DEI成像获得的本征摇摆曲线和相应的样品边界可见度 (a) Si(111)，(b) Si(400)，(c) Si(333) Figure 7 Rocking curves and corresponding edge visibility acquired from DEI images acquired with different crystals. (a) Si(111), (b) Si(400), (c) Si(333) |
图 7(a)是利用Si(111) 晶面得到的本征摇摆曲线和边界可见度，边界可见度在摇摆曲线范围内数值很小且基本不变；图 7(b)是利用Si(400) 晶面得到的本征摇摆曲线和边界可见度，在摇摆曲线范围内边界可见度有一定的变化，其最小值与样品摇摆曲线的峰位位置相对应；图 7(c)是利用Si(333) 晶面得到的本征摇摆曲线和边界可见度，在摇摆曲线的范围内，边界可见度起伏明显，其最大值对应着样品摇摆曲线的腰位位置，与样品摇摆曲线峰位对应的是边界可见度的极小值[21]。从总体上看，随着晶面指数的提高，边界可见度是逐渐增大的。通过边界可见度曲线我们可以得出Si(111)、Si(400)、Si(333) 晶面的最大边界可见度分别为0.0683、0.1186、0.2170。这说明，利用高指数衍射面的晶体进行DEI成像可以得到更高的边界可见度。
在摇摆曲线不同位置所采集的5号结构的所有投影像中，分别选择三种晶面DEI成像的峰位、左腰和右腰三个位置的投影像，利用余弦曲线拟合信息分离方法[6]得到5号尼龙纤维结构的折射角信息像，如图 8所示。
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图 8 模型样品5号结构的折射角信息像 (a) Si(111)，(b) Si(400)，(c) Si(333) Figure 8 Extracted refraction images of No.5 structure in RMI 156. (a) Si(111), (b) Si(400), (c) Si(333) |
从图 8可以看出，折射角信息像的处理结果要比单张投影像清晰得多，利用Si(400) 和Si(333) 晶面成像获得的折射角像中除了可以看到清晰的边界外，还能看到间隔均匀的条纹。这些条纹是模型样品背底上的一些周期性结构，这是利用Si(111) 晶面所不能看到的。这说明利用高指数晶体有助于我们看到更多更清晰的样品内部细节。
为了定量分析，在图 8中选择一行像素（画横线处），分别画出相应的折射角分布曲线，如图 9所示。从图 9可以看出，利用不同指数晶面得到的折射角值相差不多，这是因为在同一能量下同一个样品的折射角度不会因选用晶面而不同。但是，对比图 9可以看出，曲线的信噪比有很大差别，高指数面晶体获得的曲线噪声起伏很小，信噪比高。
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图 9 折射角像中一行像素对应的折射角曲线(a) Si(111)，(b)Si(400)，(c) Si(333) Figure 9 Refraction angle curve of the selected row pixels in refraction image. (a) Si(111), (b) Si(400), (c) Si(333) |
利用图 9曲线，计算Si(111)、Si(400)、Si(333) 折射角曲线0-40个像素（即图 9中左侧平滑区域）的均方差分别为0.7302、0.6659、0.2521。可以进一步说明，相对于Si(111) 晶面来说，利用Si(400) 晶面得到折射角信息噪声下降，而信噪比提高。而利用Si(333) 晶面时，噪声有更明显的下降，信噪比进一步提高。从理论上来说，利用Si(400) 和Si(333) 晶面进行实验时，由于其摇摆曲线变窄会使得入射到样品上的光子数下降，这会导致信噪比降低，但实验结果显示高指数面仍有效地提高了成像信噪比。这说明在使用我们所选择的高指数面晶体开展DEI成像实验时，摇摆曲线窄化对成像灵敏度的提高起到了主要作用。
2.3 实际生物样品成像结果在15keV的能量下，分别利用Si(111)、Si(400)、Si(333) 三种晶体对真实小鼠肝脏样品进行实验，得到的DEI峰位投影图分别如图 10所示。
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图 10 利用不同晶体获得的小鼠肝脏样品峰位投影像(a) Si(111)，(b) Si(400)，(c) Si(333) Figure 10 Peak images of mouse liver acquired with different crystals.(a) Si(111), (b) Si(400), (c) Si(333) |
从图 10箭头指示的细节可以看到，图 10(b)中可以观察到图 10(a)中看不到的血管结构，而图 10(c)中则能观察到比图 10(b)更加清晰复杂的血管结构。通过图 10投影像可以清楚地看出，利用高指数晶体开展DEI成像，对观察生物样品内部微结构可以获得更好的成像质量。
2.4 三维成像结果利用X射线能量在15keV时分别在三种晶面摇摆曲线的峰位对甲虫样品所采集的CT投影数据，采用滤波反投影算法[21-22]进行重建，得到的断层图像如图 11所示。
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图 11 在15keV能量下甲虫样品的断层像(a) Si(111) 晶面，(b) Si(400) 晶面，(c) Si(333) 晶面 Figure 11 Tomography of beetle at 15keV. (a) Using the Si(111) diffraction plane, (b) Using the Si(400) diffraction plane, (c) Using the Si(333) diffraction planes |
图 11为利用Si(111)、Si(400)、Si(333) 晶体采集的投影数据重建得到甲虫断层像。从整体上看，利用高指数晶体得到的断层像衬度更高。在箭头所示的位置，能够观察到更多的样品内部结构。但是，也可以看到高指数晶体的断层像的伪影也较重。分析原因可能是因为在同一能量条件下，高指数面晶体的成像灵敏度更高，导致样品边界的衬度太高而过亮，进而产生重建伪影。另一方面，受实验环境和系统稳定性的影响，分析晶体所处摇摆曲线的角度位置会随时间有微小的飘移，当摇摆曲线非常窄的时候，这种飘移将会被放大，从而导致伪影的产生。
利用BSRF 4W1A成像实验站的BEDE300双轴衍射仪进行高指数面晶体的实验时，将分析晶体置于摇摆曲线的峰位利用电离室监测光强，光强会在1 min左右产生明显的飘移，故不能进行三维成像实验。为了提高系统的稳定性，我们选用了新的高精度转台(KTG-15D)，并把晶体竖直放置在L型晶体支架上来避免安装应力，晶体的L形支架和转台之间采用刚性连接。因为三维成像的数据采集时间在10min左右，利用新系统进行高指数面的三维成像实验时，待白光X射线照射到第一晶体实现热平衡（实验时保持照射20min）后使用电离室监测光强，在10min时间内没有看到明显的光强变化，认为新系统的稳定性能够满足CT数据的采集时间需求。但是，最终重建的甲虫样品断层像虽能看到多一点的细节，但有严重的伪影。这主要是因为实验所用的干燥的甲虫样品，在使用Si(111) 晶体进行DEI实验时就已经能够获得足够的衬度，当采用更高灵敏度的系统成像的时候其结构边界处过亮导致了伪影的产生。在进行高灵敏度的DEI实验时，需要根据样品成分选择不同的摇摆曲线宽度即成像灵敏度来避免因衬度过高造成的伪影，而具体的成像灵敏度情况和选择标准将是我们下一步要开展研究的内容。另一方面，所使用晶体指数面的越高，摇摆曲线的半高宽越小，对系统的稳定性要求越高。我们后续还将从环境温度、晶体的热稳定性影响、转台稳定性等方面继续考虑改进方案，保证进一步开展高灵敏度成像相关研究的开展。
3 结语利用高指数衍射面晶体摇摆曲线窄的特点，在BSRF设计搭建了高灵敏度的DEI成像实验系统，系统实测摇摆曲线宽度与理论值相符。利用标准样品和实际生物样品对所搭建的系统进行了实验验证。与常规使用的Si(111) 成像结果比较，利用高指数晶体的成像边界可见度更高、信噪比更好。对成像结果的定量分析表明，所使用晶体的晶面指数越高，DEI成像的灵敏度越高。因此，高灵敏度DEI成像更有利于观察样品的内部细节。此外，尽管高指数面晶体摇摆曲线更窄，但新搭建的高灵敏成像装置仍然具有一定的时间稳定性，已经成功地开展了三维成像实验并取得了初步结果。
所搭建的高灵敏度成像系统目前开展实验的图像曝光时间在秒及亚秒层次。因为BSRF属于第一代光源，相信对于更高亮度的第三代或第四代同步辐射光源，还可以使用更高指数的衍射晶面开展更高灵敏度的实验尝试。另一方面，对于实际样品，还需要通过实验研究选择合适的成像灵敏度，保证既能够看到所需的结构细节，又避免成像系统的灵敏度过高带来的成像伪影。系统成像灵敏度和具体的选择还需要开展进一步的研究工作。
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