捕捉弱信号目标，实现高灵敏度X射线成像

封面解析：

青蛙对飞行的昆虫特别敏感、对静止的东西则视而不见，说明运动特性可用于物体高灵敏成像。论文报道的运动衬度成像方法基于普通面阵探测器实现了运动对象的高灵敏成像，该方法通过对图像灰度随时间的变化进行时域频谱分析，根据不同组分运动频率的不同将其分离出来、分别成像，从而实现复杂体系中感兴趣对象运动轨迹的高灵敏提取。

封面文章| 肖体乔;王飞翔;李可;许明伟;鞠晓璐; 运动衬度X射线成像及其应用[J].光学学报, 2022, 42 (11):11134001.

导读

《光学学报》于2022年42卷第11期推出“真空紫外与X射线光学”专题，其中，中国科学院上海应用物理研究所肖体乔研究团队特邀综述“运动衬度X射线成像及其应用”被选为本期封面文章。

针对复杂体系弱信号的成像难题，中国科学院上海应用物理研究所肖体乔研究团队提出并发展了运动衬度X射线成像方法。低造影剂浓度血管造影、植物微导管输水无造影剂成像、电化学反应离子迁移高灵敏成像等实验结果表明，运动衬度X射线成像可实现传统方法无法实现的有效衬度的复杂体系弱信号成像。因适用于任意波长，运动衬度成像原理也有望在红外、可见光等其他波段获得广泛应用。

1、研究背景

夏至时节，池塘里开满了粉红荷花，两三只小青蛙在荷叶上跳来跳去，池塘里鱼儿游动，水面上蜻蜓在盘旋，虫儿在低鸣。这是夏日池塘的情景，画家能用一幅鲜艳的水彩画来记录这个美景，摄影师也能用一张高清的照片来表示，但是夏日池塘的各种动态细微的生命活力却很难通过一维画面来静态展示。

图1自然界的复杂体系（图片来源于网络）

这就是自然界的复杂体系，可以大到整个生态系统，也可以小到一个细胞结构，它通常具有成分复杂、结构复杂、相对运动复杂等特点，虽然X射线的高穿透能力使其在复杂体系的原位研究中获得了广泛应用，但同时也会造成样品内部显微结构的多重叠加，进而导致感兴趣对象的衬度变差甚至消失。

传统CT成像通过多角度投影重构可完美解决该问题，但要求内部结构相对稳定状态、且感兴趣对象能形成有效衬度。当样品内部不断变化、调制信号足够弱时，CT成像也无能为力。

造影标记、K边减影、时间减影等方法能有效增加感兴趣目标对X射线调制信号的强度，但对复杂体系成像时，受运动伪影、高频噪声、强吸收等因素的影响这些方法也时常失效。因此，发展更高灵敏度的信息提取方法是解决复杂体系弱信号成像的关键。

2、 运动衬度X射线成像与应用

针对复杂体系弱信号成像的难题，上海光源X射线成像组提出并发展了运动衬度X射线成像（MCXI）方法。区别于传统X射线吸收衬度和相位衬度等直接衬度成像方法，MCXI利用感兴趣对象在运动过程中对入射光场的调制随时间演化规律的不同，通过时域频谱分析将其分离开来、分别成像，从而消除各组分间的相互干扰，实现复杂体系弱信号的高灵敏成像。

基于运动衬度成像原理，研究团队提出并发展了一种的运动衬度血管造影(MCA)方法。活体小鼠的实验结果表明，相较于时间减影成像（图2（a）），MCA成功实现了复杂背景、运动伪影、高频噪声和造影剂灌注等单独成像（图2（b）,(c), (d), (e)），从而消除其相互干扰，显著提高了微血管成像的衬噪比和分辨率。进一步的灵敏度测试实验结果表明，即使将造影剂剂量降低一个量级，仍能实现小动物活体脑微血管的成像。

图2. 小鼠模型运动衬度血管造影, 其中 (a)传统时间减影；(b), (c), (d), (e)为运动衬度成像结果，分别代表复杂背景、运动伪影、高频噪声和血管造影, 标尺长度 500μm。

水在植物中的长距离输运机理是一个长期困扰的难题，主要原因是缺乏有效的观测手段。上海光源团队成功发展了运动衬度CT成像方法(MCXCT)，不借助造影剂首次实现了植物茎秆内水灌注过程的三维动态成像（图3），发现缺水植物水重填充过程存在渗透、导管输运和混合三种模式（图3（c）），从而为水输运机理研究提供了一个全新的手段。

图3. 植物茎秆内水重填充过程运动衬度CT成像结果，其中(a)输运轨迹四维时空分布；(b)与传统CT切片融合；(c)三种典型输水模式。

借助磁粉可直接观察磁力线分布，有没有可能观察到电解池内电化学反应的空间分布。由于电解池内金属离子或原子高度分散，传统方法很难形成有效衬度（图4（a））。将MCXI应用到电解池氧化还原反应过程研究中，成功观测到通电初期电解池电化学反应的空间分布，发现接通电源时电化学反应在整个电解池范围内同时发生，而不是通常理解的金属离子由阳极迁移到阴极得到电子被还原（图4（b））。该项研究表明，MCXI在电池、电解池反应的原位动态研究中具有重要应用前景。

图4. 通电初期电解池电化学反应过程观测，其中 (a)时间减影成像; (b)运动衬度成像。

3、未来展望

目前X射线运动衬度成像仍处在发展阶段，并不断拓展其在不同类型复杂体系中的应用研究。结合多种形式的时域频谱分析手段以及深度学习模式识别技术，发展自适应的时变运动特征提取方法将是运动衬度成像的重要发展方向。由于适用于任意波长，运动衬度成像有望在红外和可见光波段获得广泛应用，并由显微成像拓展到遥感成像。

“真空紫外与X射线光学”专题介绍

真空紫外到X射线是电磁波谱中波长比较短的部分，包含真空紫外、远紫外、极紫外、软X射线和硬X射线。近年来，真空紫外与X射线光学有关的光源、光学元件、系统和探测器及其相关应用均得到了国内外该领域学者和研究团队的广泛关注。为了使广大读者和相关领域人员能够更加深入地了解该领域的重要研究成果及最新进展，进一步促进相关学科的交叉融合发展与学术交流。为此，在组稿专家王占山教授、王峰研究员、江怀东教授、黄秋实教授的积极邀请和组织下，《光学学报》编辑部于2022年42卷第11期精心组织了“真空紫外与X射线光学”专题，特邀请国内二十多位相关领域的专家和团队，结合该领域的代表性研究成果，撰写研究综述或者最新研究工作进展。本专题共收录25篇论文，其中特邀论文15篇，内容涵盖了光源、光学元件和系统、探测器、显微成像方法、大科学装置应用等方面的内容，希望能够借此专辑，给相关领域的广大研究人员提供有益参考，促进大家合作交流。专题链接如下：https://www.opticsjournal.net/Journal/gxxb/2022/42/11.cshtml