由于采用了兩個(gè)布拉格放大鏡晶體（中間）和一個(gè)單光子計數探測器（左側），新的 X 射線(xiàn)成像技術(shù)使用的 X 射線(xiàn)劑量要低得多。圖示為樣品。資料來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院 Rebecca Spiecker
研究人員開(kāi)發(fā)出一種 X 射線(xiàn)成像技術(shù)，能以比以前低得多的 X 射線(xiàn)劑量生成生物體的詳細圖像。這一進(jìn)步使小型生物體或其他敏感樣本能夠在更長(cháng)的時(shí)間內進(jìn)行高分辨率研究，從而揭示各種動(dòng)態(tài)過(guò)程的新見(jiàn)解。
這種方法以相襯成像為基礎，不僅依賴(lài)于樣品對 X 射線(xiàn)的吸收，還依賴(lài)于 X 射線(xiàn)的波特性。更準確地說(shuō)，它是通過(guò) X 射線(xiàn)穿過(guò)樣本時(shí)發(fā)生的相位變化來(lái)生成圖像的。
來(lái)自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究團隊成員Rebecca Spiecker解釋說(shuō)："以前，對生物體進(jìn)行微米級分辨率的 X 射線(xiàn)相襯成像只能持續幾秒鐘到幾分鐘，因為會(huì )發(fā)生嚴重的輻射損傷?，F在，我們克服了目前高分辨率成像在劑量敏感應用中的局限性，從而降低了必要的 X 射線(xiàn)劑量。"
在《Optica》雜志上，研究人員介紹了他們如何開(kāi)發(fā)出一種新型 X 射線(xiàn)成像系統，該系統使用專(zhuān)用的高效 X 射線(xiàn)光學(xué)器件和單光子計數探測器來(lái)提高劑量效率，從而實(shí)現微米分辨率的全場(chǎng)成像。他們通過(guò)對從寄主卵中出來(lái)的微小寄生蜂進(jìn)行長(cháng)達 30 多分鐘的成像，展示了這項新技術(shù)的優(yōu)勢。
研究人員使用新技術(shù)對從寄主卵中萌發(fā)的小寄生蜂進(jìn)行成像。由于輻射量極小，即使經(jīng)過(guò) 30 分鐘的成像，黃蜂的行為也沒(méi)有出現任何異常。圖片來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Rebecca Spiecker
Spiecker說(shuō)："我們的研究表明，與傳統的高分辨率探測器相比，我們的方法具有更優(yōu)越的成像性能。例如，這對于捕捉小型模式生物（如爪蟾胚胎）的發(fā)育和行為細節非常有用，其時(shí)間尺度比目前可能的更長(cháng)。"
用更少的輻射獲得更好的圖像
X 射線(xiàn)成像可以揭示生物體內隱藏的結構和過(guò)程。然而，它也會(huì )使生物體暴露在高劑量的有害輻射中，從而限制了在損害發(fā)生之前的觀(guān)測時(shí)間。更糟糕的是，常用的高分辨率探測器的探測效率會(huì )隨著(zhù)分辨率的提高而降低，這意味著(zhù)需要更高的 X 射線(xiàn)劑量才能獲得高分辨率圖像。
為了克服這一難題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種相襯成像方法，直接放大 X 射線(xiàn)圖像，而不是將 X 射線(xiàn)圖像轉換成可見(jiàn)光圖像，然后再放大（這是一種典型的方法）。這使他們能夠使用高效的大面積探測器，同時(shí)保持微米級的空間分辨率。
一種新的 X 射線(xiàn)成像技術(shù)可以用比以前低得多的 X 射線(xiàn)劑量生成生物體的詳細圖像。研究人員利用這項新技術(shù)對從寄主卵中萌發(fā)的微小寄生蜂進(jìn)行了長(cháng)達 30 多分鐘的成像。圖片來(lái)源：卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Rebecca Spiecker
在新的成像系統中，研究人員使用了像素尺寸為 55 微米的單光子計數成像探測器。X 射線(xiàn)圖像通過(guò)晶體光學(xué)器件（即布拉格放大鏡）在樣品后面進(jìn)行放大。后者由兩塊完美的硅晶體組成，用于進(jìn)行放大。
"為了在微米分辨率的全場(chǎng) X 射線(xiàn)成像中實(shí)現盡可能高的劑量效率，我們將 X 射線(xiàn)相襯、布拉格放大鏡和單光子計數探測器結合在一起，所有這些都針對 30 keV 的最佳 X 射線(xiàn)能量進(jìn)行了優(yōu)化，"Spiecker 說(shuō)。"布拉格放大鏡的概念可以追溯到 20 世紀 70 年代末，盡管人們已經(jīng)注意到它在提高劑量效率方面的潛力，但直到現在才對其進(jìn)行了探索。"
在證明他們的新系統可以達到 90% 以上的劑量效率，同時(shí)提供高達 1.3 微米的分辨率后，研究人員將其性能與使用相同樣品、X 射線(xiàn)能量和 30 keV X 射線(xiàn)能量的傳統高分辨率探測器系統進(jìn)行了比較。
Spiecker說(shuō)："在這種能量下，我們的系統在圖像的相關(guān)高分辨率成分方面的探測量子效率比傳統系統高出兩個(gè)數量級以上。這不僅能獲得更好的圖像，還能大幅降低樣品中的 X 射線(xiàn)劑量。"
為微小昆蟲(chóng)成像
研究人員隨后使用該系統對廣泛用于生物害蟲(chóng)控制的活體寄生蜂進(jìn)行了試驗性行為研究。由于輻射量極小，他們能夠在寄主卵內捕捉到小黃蜂的圖像長(cháng)達30分鐘，然后小黃蜂才最終出現。
研究人員說(shuō)，這種方法可能也適用于生物醫學(xué)應用，比如對活檢樣本進(jìn)行溫和的斷層掃描檢查。不過(guò)，使用布拉格放大鏡需要單色、相干和準直的光束，而X射線(xiàn)同步加速器設施可以提供這種光束。他們還在繼續改進(jìn)該系統，以獲得更大的視場(chǎng)和更高的長(cháng)期機械穩定性，從而延長(cháng)測量時(shí)間。
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