X射线相称成像发展综述

X射线相位衬度成像调研
I．概述：
传统的X射线成像技术原理是根据物体对X射线的吸收衰减特性而成像的。

对于传统的X射线成像技术而言，通常要求待测物体与周围环境以及物体中不同吸收部位之间的对X射线的吸收系数有比较明显的差异。

因此X射线吸收成像对由金属等重物质构成的物体检测时效果比较显著，而当检测以C、H、O等轻元素为主要构成的物质时，如生物软组织样本，由于它们对X射线吸收很少，不同生物组织之间吸收系数差别也小，导致传统X射线成像对这些样本进行无损检测时无法提供足够的衬度，限制了X射线成像在医学、生物学以及材料学等领域的应用和发展。

而X射线相位衬度成像正是一项可以改变这一局面的技术，它通过直接或间接探测X射线穿过待测样品后的相位信息来形成衬度图像。

这种技术能将可检测物质的范围扩展到弱吸收的轻元素物质，并把X射线成像的空间分辨率提高到微米乃至纳米量级。

首先提出相位成像方法的是荷兰罗宁根大学的Frits Zernike。

1953年，他成功地将相位衬度概念引入光学显微镜（可见光波段），清晰地观测了软组织样品。

他也因为这个方面的突出贡献被授予了该年的诺贝尔物理学奖。

1965年，V. Bonse和M. Hart成功研制出了X射线晶体干涉仪，成为了相衬成像研究的重要基础。

在F. Zernike工作的启发下，人们开始着手于X波段相称成像的研究。

但是早起的X光管亮度较低，X射线晶体干涉仪对于环境的稳定性要求较高，不但拍摄一幅图像需要很长的曝光时间，而且实现比较困难。

所以直到上个世纪90年代中期，随着高亮度、能量可调、方向性好的同步辐射光源的大力发展，对于X射线相称成像的系统研究才真正开始。

1994年，日本的A. Momose实验小组利用干涉法进行了早期的相称成像实验，获得了大量生物切片、活体组织的相称图像。

1995年，澳大利亚的CSRIO研究中心利用衍射增强法获得了树叶、昆虫的相称图像。

同时，A. Snigirev 和他的同事提出了单色同轴相位衬度成像模型，并在ESRF成功实现。

1996年，W. S. Wilkins 在Nature上发表了多波长硬X射线相位衬度成像论文。

同年，K. A. Nugent在Phys. Rev. Lett, 上发表了相位提取的理论文章。

而在以后的时间内至今，在这一领域有大量的理论、实验成果不断涌现。

这一切都标志着X射线相位成像开始得到广泛深入研究，并在努力走向实际应用。

而在我国，2002年，北京同步辐射中心形貌成像组朱佩平教授为代表的众多科研小组以北京同步辐射光源为主要实验平台开展了大量的工作，在相衬成像理论和实验上取得了重大进展。

2005年开始在传统干涉仪上众多研究小组利用光栅进行了相称成像实验并获得了重要成果。

II．X射线相称成像主要实现方法简介：
到目前为止，人们已经发展了多种实现X射线相称成像的方法，主要可以分为以下五类：1）类Zernike相称成像法；2）干涉成像3）衍射增强成像4）类同轴相称成像法；5）光栅相称成像法。

1. 类Zernike相称成像法：
类Zernike相衬法是应用Zernike相称机制的一种X射线显微相衬成像方法。

Zernike指出，在普通显微镜成像时，衍射光之所以观察不到是因为它与强本底之间存在π/2的相位差，如果能够在物体成像的频域面加上移像板，改变直射光与弱衍射光之间的这种相位正交关系，同时适当衰减直射光强度，那么这两项间就会更直接的叠加发生干涉，产生可观测的强度变化。

这种相称成像光路示意图如图1所示。

图1 Zernike相衬成像光路示意图
这种方法对于可见光波段容易实现，可是对于X射线，聚焦是一个大问题。

由于各种材料的折射率都近似等于1，一般的光学折射元件无法用来聚焦X射线。

不过，人们发展了通过波带片利用X射线衍射特性聚焦X射线的方法，并实现了基于波带片的X射线类Zernike显微相称方法，其光路示意图如图2所示。

在基于波带片的X射线显微成像系统中，波带片的作用基本可以理解为光学透镜在可见光显微镜中的作用。

会聚波带片用于X射线聚焦和色散补偿，通常为了尽可能多的会聚X射线，一般会聚波带片直径较大为毫米量级。

成像波带片用作X射线显微镜的物镜进行成像或形成微束，为了提高空间分辨率，成像波带片一般比较小，在百微米量级。

波带片分辨率主要由其外带宽度决定，可估算为dr n(r n为波带片外环宽度)。

目前的波带片分辨率也就可达几十nm量级。

但是在仪器理想情况下，理论的分辨极限是由衍射极限决定的，所以随着光刻技术的发展，X射线显微技术的分辨率还有进一步提升空间。

目前，世界各地的科研小组针对X射线显微成像开展了很多研究，取得了令人欣喜的结果。

2004年，美国的C. A. Larabell等人应用软X光水窗波段的波带片显微成像系统对酵母细胞进行
了研究，取得了很好的实验结果。

2005年，W, Chao等人在ALS上利用波带片成像系统在软X光波段实现了优于15nm的空间分辨率。

2008年，P. Pianetta、S. Brennan和J. C. Andrews 在SLAC实现了空间分辨率约50nm的硬X射线波带片成像。

随后，Y. Chu等人在APS实现了分辨率高达40nm的硬X射线波带片成像。

而美国的Xradia公司已经开发了相应的商用产品，其与北京同步辐射实验室共同开发研制的新一代真空低温系统的硬X射线波带片显微成像系统分辨率接近30nm。

图2 X射线显微光路示意图
基于波带片的X射线显微成像技术将空间分辨率推进到几十纳米量级，对于生命科学、材料科学和表面科学研究有重要意义。

但其利用的是Zernike相称成像机制，相比于后面四种方法，其结果是一个半定量结果，未能给出波阵面的完全定量恢复。

对于适用于这个体系的定量波阵面恢复方案和算法还有待进一步研究。

除了波带片以外，A. Snigirev等人还提出了利用复合折射透镜（Compound Refractive Lens，CRL）来聚焦X射线的方法（示意图如图3所示），并于2003年给出了这种透镜聚焦的理论解释，并指出这种透镜具有可见光透镜的一些性质，且可以聚焦硬X射线。

2001年，Y. Kohmura等人将CRL技术用于相称成像实验（光路如图4所示），并使该系统分辨率达到μm的亚微米量级空间分辨率。

不过，相比于波带片方法，CRL技术显然还处于进一步研发阶段，离实际应用还有一定距离。

图3 CRL结构示意图
图4 CRL用于相衬成像光路示意图
2. 干涉成像法：
干涉成像法（Interferometry）直接测量X射线透过样品的相位变化ϕ(x)。

可以这样简单理解干涉成像法，有两束相干光，它们满足干涉条件，那么这两束光重叠的位置会产生干涉条纹。

而如果在这两束相干光的其中一路光路上存在一个相位物体，那么由于这路光经过相位物体时相位发生了改变，它们的干涉条纹会发射畸变，这种畸变必然包含了物体引起相位变化的信息。

如果人们可以设计一个合理的光路实现这种干涉，那么也就可以从畸变的干涉图样中推导出相位物体的与光波相位有关的物理参数的分布了。

图5 A. Momose X射线干涉仪相衬成像法装置示意图
上述原理在X射线相衬成像中的实践最早是由A. Momose在1995年利用X射线干涉仪完成的，装置示意图如图5所示。

他们利用同步辐射光源作为X射线源，X射线干涉仪是利用一整块完美晶体，从中间切掉两条，形成三片很薄但基部仍连在一起的LLL结构，这样的干涉仪能保证很高的准直度和稳定性，获得较好的干涉条纹。

三块晶体中的第一块作为分束器（Beam Splitter）用于将经过单色仪的X射线分成两束，一束经过样品，另一束作为参考波，在满足Bragg条件时，两束光强度相同。

第二块晶体（Transmission Mirror）用于将两束X光重新合束，而在合束前，非参考波的光路上放置样品，这样由于非参考波相
位变化，两束光在分析晶体处形成的干涉条纹将发生畸变。

如果没有第三块晶体，两束光合束后得到的干涉条纹周期几乎为晶体的晶面周期，而一般晶体的周期很小，一般的探测器根本无法分辨，所以需要在两束光相交的平面上放置第三块晶体作为分析晶体（Analyzer Crystal），从而在分析晶体后形成周期较大的Moiré条纹，利于被探测器探测。

A. Momose 利用这种结构的干涉仪获得了空间分辨率约40μm的相称像，而后又将这种干涉仪同CT技术结合获得了物体内相位分布信息的三维数据，成功看到了动物细胞中的癌变组织，并将其成果发表在了Nature Medicine中。

不过利用上述单个晶体制成的X射线干涉仪确实保证了系统的稳定性，但是一块晶体尺寸毕竟有限，这就大大限制了干涉仪的大小，同时限制了探测的视场范围。

在A. Momose 的最初实验中，只能获得约3cm×3cm的视场范围，这对于实际应用是远远不够的。

此后分别于1999年和2002年，A. Momose等人又提出了两种对于X射线干涉仪进行改进以扩大视场的研究成果，它们的装置示意图分别见图6、图7。

图6所示干涉仪由两个独立晶体构成，两块晶体之间的线性位移并不影响干涉场。

只要每块晶体的晶向和大小满足合适的几何布局就可以产生干涉。

但是这种结构需要两块晶体的平行度够高，所以他们采用了计算机辅助控制方法控制晶体平行；同时为了保证晶向足够一致，两块晶体从同一块晶体切割而来。

由于这种结构调试太困难，他们又给出了图7所示的另一种方案，中间的一块晶体兼具分束晶体和分析晶体的作用，另外两块晶体作为反射镜用。

入射X 射线经中间的晶体分为两束，两束分别由两块晶体反射回中间晶体，再由中间晶体将两束光混合在一起。

这种结构对于晶向要求较低，调试容易些。

通过改进，他们最终将干涉法的视场范围提高到了25cm×20cm。

图6 分离式X射线晶体干涉仪（1）图7 分离式X射线晶体干涉仪（2）
干涉相衬成像法的优点是灵敏度很高，可以探测样品内部很微小的信息，如晶体受热形变、晶体内部缺陷等。

但是它也有明显的不足，首先，由于X射线的波长很短，比可见光小约3个量级，因此这种方法对于晶体布局精度及机械稳定性有着比较苛刻的要求。

其次，这种方法要求入射光有足够高的时间和横向空间相干性，这样才能保证得到清晰的干涉条纹。

为了满足时间相干性的要求，需要使用单色仪得到足够好的（如能量分辨率为10-4的）准单色光。

而当光源空间相干性达不到要求时，在光源前放置一个针孔是有必要的，而这些措
施都会筛选掉不少光子，所以这种方法对光源亮度有较高的要求，一般多使用同步辐射光源，而这点大大限制了这种方法的广泛应用。

同时，由于实际参与成像的光子数有限，该方法曝光时间较长，而且这期间一旦光程的波动超过成像的波长，干涉条纹的移动就会超出视野。

而且，当记录条纹的时间超过干涉条纹波动的时间，记录介质上的条纹也会消失，所以干涉法对于光源稳定性也有很高的要求。

为了减小波动对成像的影响，一般会采用傍轴光，但这会减小成像的视场。

采用这种物光和参考光干涉的方法很难走向实际应用。

3. 衍射增强成像法：
衍射增强法(Diffraction Enhanced Imaging, DEI)根据完整晶体的X射线衍射理论获取X 射线经过样品相移的一阶导数信息ϕ’(x)。

衍射增强法最早是在1995年由Davis T J等人和V. N. Ingal等人分别提出的。

这种技术随后又由Dean Chapman等人做了进一步的扩展，他们在NSLS上实现了DEI系统，并通过信息提取算法得到了表观吸收图像和一阶相位信息图像（即折射角图像）。

Hirano等人与2003年在Photon Factory上建立了使用双晶分析晶体的DEI装置，其得到的图像衬度比传统X射线成像方法提高了20倍。

此外，Alberto Bravin 等人的研究小组以ESRF装置为基础平台将衍射增强成像法应用于高分辨的医用CT，同样基于ESRF装置还有许多的科研小组进行了相关的理论和实验研究；国内方面，基于BSRF 为平台，中科院高能所朱佩平等人以及上海光机所高鸿奕等人在理论和实验两方面均取得了相当重要的结果。

清华大学，中国科学技术大学，中科院高能所也都有在衍射增强成像的相位重建算法等方面开展一定的研究，并取得了重大进展。

、
图8 衍射增强相衬成像法实验装置示意图
图8给出了衍射增强法的典型实验装置示意图。

衍射增强法的关键是在样品后放置一块分析晶体。

光源产生的X射线首先经过单色仪，选择出单色X射线，并且要求是准平行光。

然后该X射线经过样品，携带了样品的相位信息照射到分析晶体上，分析晶体通常与单色仪晶体种类相同，且具有一致的衍射面。

X射线与样品主要发生以下几种相互作用：吸收，相干散射，非相干散射和折射。

其中，样品对入射X射线的折射光线携带了样品的结构信息，是人们需要探测的部分，而大散角的相干散射和非相干散射对于成像是较强的本底噪声，
使成像的衬度和空间分辨率下降。

而衍射增强法中的分析晶体恰恰能滤去这些不利用成像质量的散射本底，这一步实现的主要依据就是晶体的摇摆曲线(Rocking Curve)。

图9是一典型双晶体系统摇摆曲线示意图。

摇摆曲线反映了衍射光与入射光之间相对强度（纵坐标）与入射光入射角偏离Bragg角程度（横坐标）的关系。

当X光入射角为Bragg角时衍射光最强，当入射角逐渐偏离Bragg角时，衍射光强度逐渐减弱，当衍射光强度从最大下降到一半时，称之为半高峰。

一条摇摆曲线有两个半高峰，左半高峰L和右半高峰H，两个半高峰之间的宽度称为达尔文宽度（Darwin width），达尔文宽度与晶体种类、衍射面及入射的X射线能量有关，一般为10-6rad量级。

通常情况下，样品对X射线的折射使其传播方向偏转的角度在10-6~10-7rad量级，构成背景的散射光散角在10-3rad量级，而分析晶体的接收角在10-6rad 量级，所以分析晶体衍射的只是被样品折射的X射线，而散射背景几乎全部被排除在分析晶体接收角以外。

这是衍射增强法可以获得高信噪比图像的主要原因。

图9 双晶体系统摇摆曲线示意图
当单色晶体和分析晶体的相对位置确定之后，若它们之间不放置样品，入射分析晶体的单色平行光对于分析晶体有确定的入射角度，此时分析晶体衍射的光线具有一个固定的相对强度，对应于摇摆曲线上一个确定的点（例如左半峰、右半峰或曲线顶点）。

而在单色晶体和分析晶体之间放置样品后，通过样品的X射线因为样品的折射效应而与原来入射分析晶体的入射角产生一定偏差，衍射光线的相对强度也会发生相应变化，利用这个强度变化，人们可以反推出样品不同位置对于X射线的相移信息，进而知晓样品的结构信息。

例如，在晶体系统摇摆曲线的左半峰L（低角边）和右半峰H（高角边）处分别进行成像，放置样品后测得的衍射光强度I L、I H分别为
I L=I R R(θL+∆θz)≈I R[R(θL)+dR
dθ|θ
L
∆θz](1)
I H=I R R(θH+∆θz)≈I R[R(θL)+dR
dθ|θ
H
∆θz](2)
其中R(θ)为摇摆曲线θ处纵坐标值，θL和θH分别为左右半峰位置。

对于确定的晶体布局，式中R(θ)、θL和θH，以及d R/dθ|θL和d R/dθ|θH都是可知的，而是I L、I H是测量值，故由以上两式可以求出样品对于X射线折射造成的X射线对分析晶体入射角的变化量ΔθZ。

而经过样品任一点的X射线的ΔθZ由样品在该处对X射线相移的一阶导数决定：
∇φ(3)
∆θZ=1
k
所以衍射增强成像直接测量的是样品各位置对于X射线相移的一阶导数信息。

由图9可见，晶体布局处于摇摆曲线的半高位置时，此处曲线陡峭的斜坡使小的偏离角产生了较大的的强度反差，起到了“衬度放大器”的作用，使得这种成像方法对于样品不同位置的微小折射率变化十分敏感，这也是所谓“衍射增强”名称的含义。

衍射增强成像具有高信噪比的突出优点，并且经过E. Pagot与O. Oltulu等人对基于衍射增强成像技术的定量相位重建的进一步研究，他们提出了在摇摆曲线的一系列位置采集图像，通过对应的信息分离算法，利用衍射增强技术共可以获得关于样品的4种图像：吸收衬度图、散射衬度图、折射衬度图和消光衬度图，丰富了可获得样品的信息。

但是衍射增强方法仍然有明显的缺点。

首先，由于对于X射线的单色性和平行度有较高要求，目前这种方法仍只能用同步辐射源实现。

其次，单色仪和分析晶体要以极高的精度对准，所以对于系统的精度、稳定度要求都比较高，光路调节也并不容易。

还有，由于晶体的使用，一次成像视场有限，且对于大物体只能扫描，曝光时间长。

以上这些都限制了这种方法推广到日常的应用中。

4. 类同轴相称成像法：
图10 去掉DEI方法中分析晶体的类同轴全息相衬法装置示意图类同轴相称成像法又称（In-line Phase Contrast Imaging）又称类同轴全息相衬成像法或是菲涅尔衍射相称成像法。

1995年，A, Snigirec和I. Snigirevad等人就进行了类同轴相称成像法的尝试，他们将DEI方法中的分析晶体去掉，同样得到了相位样品的清晰图像，实验装置如图10所示。

这种方法的原理类似Gabor在可见光波段提出的类同轴全息方法（in-line
holography），只不过这时他们仍采用的是同步辐射源，并且保留了晶体单色仪。

真正使这种方法得到推广的是在1996年S. Wilkins等人的研究成果，他们利用非单色微焦点X光源实现了类同轴X射线相称成像，并且通过改进实验设备，2002年发表的成果指出他们的装置空间分辨率达到了μm。

S. Wilkins等人的成果表明这种相称成像方法的应用可以不再依赖昂贵的同步辐射光源，而且光路十分简单，可以在普通的实验室中开展研究与应用。

在接下来的时间内，许多人投入到了类同轴相衬成像方法的研究中来，使得类同轴相衬成像的理论模型完善、实验研究等方面都取得了重大进展。

国内中科院物理研究所的高大超较早的开展了微焦斑类同轴全息实验；中科院上海应用物理所的陈敏、肖体桥和刘丽想等人，清华大学的朱迪等人近几年也有相关的理论和实验研究。

上海光机所的韩申申、程静等人在部分相干光成像方面做了不少工作，利用类同轴全息理论获得了优于传统吸收成像的相衬图像。

图11 类同轴相衬成像光路示意图
图12 利用BNL ATF汤姆逊散射X射线源进行的类同轴相衬成像实验结果类同轴相衬成像的装置十分简单，如图11所示，除了光源、样品、探测器外并不需要任何晶体。

入射X射线为横向相干的平面波或球面波，入射X射线经过样品，由于样品的折射作用波阵面发生畸变，不同位置的畸变反映了样品该位置对于X射线相移的信息。

对
于硬X射线照射如生物软组织等轻质样本时，样本对于X射线的吸收十分微弱，可以近似忽略吸收效应，认为X射线通过样本只有波阵面的畸变而没有强度的衰减。

探测器垂直于X射线入射方向放置在样品后距样本一段合适的距离处，在经过这段距离的传播后，经过样本发生畸变的波面将和未发生畸变的波面在探测器平面上重叠而发生干涉，产生干涉图样，这样就将X射线透过样本产生的相移信息转变成调制后的强度信息显示出来了。

根据相关的理论研究成果，类同轴相称成像相面上的强度分布与相位改变量的空间二次导数▽2ϕ成正比，所这种成像方法对于样品中不同相位成分的边缘分界面具有显著的“边缘增强效应”。

图12给出了M. Carpinelli等人利用BNL ATF的汤姆逊散射X射线源进行的对于昆虫样本的类同轴相称成像实验结果，在图中可以清晰的看到边缘增强的效果。

X射线类同轴相衬成像成立的关键是光源具有足够的空间相干性和选择合适的光源-样品距离、样品-探测器距离。

类同轴相称成像的突出优势在于装置结构简单，不需要透镜、晶体等元件。

同时，虽然新的理论研究证明光源的单色性对于成像并非毫无影响，但是对于光源单色性的需求远远低于干涉法和衍射增强法，只要空间相干性足够好即可，可以利用微焦点源实现，摆脱了对于同步辐射源的依赖，使该方法具有广泛应用于临床医学、生物工程学等多种领域的巨大潜力。

而这种方法的缺点是受实验条件、背景噪声的影响信噪比较差；而且多种理论研究结果表明光源的横向相干性（光源尺寸）始终是影响该方法横向分辨力的主要因素，所以这种技术的空间分辨力提升很大程度上要受光源水平的限制。

5. 光栅相衬成像法：
光栅相称成像技术（Grating based Differential Phase-Contrast Imaging）也可以看成是一种干涉仪成像技术，不过随着光栅加工技术的日益成熟，光栅相称成像法已经逐步发展成为了一门独立完整的成像方法。

光栅式具有周期性结构的光学衍射屏，可以分为两大类：使入射光的光强透过率周期性变化的振幅光栅（或称吸收光栅）和对入射光造成周期性相移但是不改变强度的相位光栅。

2002年，C. David等人在ESRF上利用Talbot干涉仪和一个分析晶体首次实现了硬X射线光栅相称成像，其装置示意图如图13所示。

入射X射线经过光栅干涉仪的第一块相位光栅（其作用类似前面干涉成像法中的分束晶体）后，第一块光栅会出现自成像的Talbot效应，在其Talbot像位置处放置一块振幅光栅作为分析光栅（作用类似干涉成像法中的分析晶体），在这里振幅光栅周期是相位光栅周期的两倍，利用分析光栅的周期结构与相位光栅自成像的周期性共同作用，在分析光栅后产生Moiré条纹，该条纹经过分析光栅后的晶体衍射给探测器用于测量。

而当把样品放置在相位光栅前时，样品对X射线的折射效应会导致入射到相
位光栅的X射线波面发生畸变。

折射角正比于样品导致的X射线相位移动的梯度，样品结构信息反映在不同位置对X射线相移的不同，进而反映在X射线经过样品不同位置折射角度的不同，X射线入射相位光栅的角度改变将使得分析光栅后产生的Moiré条纹发生相应的变化，人们可以通过设计合适的信息提取算法从扭曲的Moiré条纹中提取出样品的结构信息。

这就是光栅相衬成像的基本原理。

图13 C. David等人的X射线光栅相衬成像装置示意图
图14 昆虫翅膀标本和鱼标本的吸收成像（a、c）与光栅相称成像对比图（b、d）
此外，日本的等人于2003 年后在Spring-8 上也展开了基于Talbot 干涉仪的光栅相衬成像方法的研究，并于2007年利用高分辨率的探测器直接测量干涉条纹，不再需要制作难度较大的分析光栅，实现了基于单个相位光栅的相衬成像技术。

以为代表的研究小组对光栅干涉成像技术从理论到实验进行了非常细致的研究，得到了大量优秀的成果，图14展示了他们的一些实验结果。

并且他们在2006年提出的可以在常规X光机上实现的Talbot-Lau 干涉法给光栅相衬成像技术带来了重大突破。

该装置示意图如图15所示，系统含有三块光栅，光栅G1和G2组成光栅干涉仪，同前面C. David方法的光栅干涉仪作用一样，而关键在于加入了紧挨着X光机的源光栅G0。

G0是一块吸收光栅，它使X光机产生的X射线分。