由于采用了兩個布拉格放大鏡晶體（中間）和一個單光子計數(shù)探測器（左側(cè)），新的 X 射線成像技術(shù)使用的 X 射線劑量要低得多。圖示為樣品。資料來源：卡爾斯魯厄理工學院 Rebecca Spiecker
研究人員開發(fā)出一種 X 射線成像技術(shù)，能以比以前低得多的 X 射線劑量生成生物體的詳細圖像。這一進步使小型生物體或其他敏感樣本能夠在更長的時間內(nèi)進行高分辨率研究，從而揭示各種動態(tài)過程的新見解。
這種方法以相襯成像為基礎(chǔ)，不僅依賴于樣品對 X 射線的吸收，還依賴于 X 射線的波特性。更準確地說，它是通過 X 射線穿過樣本時發(fā)生的相位變化來生成圖像的。
來自德國卡爾斯魯厄理工學院的研究團隊成員Rebecca Spiecker解釋說："以前，對生物體進行微米級分辨率的 X 射線相襯成像只能持續(xù)幾秒鐘到幾分鐘，因為會發(fā)生嚴重的輻射損傷?，F(xiàn)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 射線劑量。"
在《Optica》雜志上，研究人員介紹了他們?nèi)绾伍_發(fā)出一種新型 X 射線成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用專用的高效 X 射線光學器件和單光子計數(shù)探測器來提高劑量效率，從而實現(xiàn)微米分辨率的全場成像。他們通過對從寄主卵中出來的微小寄生蜂進行長達 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)的小寄生蜂進行成像。由于輻射量極小，即使經(jīng)過 30 分鐘的成像，黃蜂的行為也沒有出現(xiàn)任何異常。圖片來源：卡爾斯魯厄理工學院的Rebecca Spiecker
Spiecker說："我們的研究表明，與傳統(tǒng)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(jié)非常有用，其時間尺度比目前可能的更長。"
用更少的輻射獲得更好的圖像
X 射線成像可以揭示生物體內(nèi)隱藏的結(jié)構(gòu)和過程。然而，它也會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)生之前的觀測時間。更糟糕的是，常用的高分辨率探測器的探測效率會隨著分辨率的提高而降低，這意味著需要更高的 X 射線劑量才能獲得高分辨率圖像。
為了克服這一難題，研究人員開發(fā)了一種相襯成像方法，直接放大 X 射線圖像，而不是將 X 射線圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像，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，同時保持微米級的空間分辨率。
一種新的 X 射線成像技術(shù)可以用比以前低得多的 X 射線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)的微小寄生蜂進行了長達 30 多分鐘的成像。圖片來源：卡爾斯魯厄理工學院的Rebecca Spiecker
在新的成像系統(tǒng)中，研究人員使用了像素尺寸為 55 微米的單光子計數(shù)成像探測器。X 射線圖像通過晶體光學器件（即布拉格放大鏡）在樣品后面進行放大。后者由兩塊完美的硅晶體組成，用于進行放大。
"為了在微米分辨率的全場 X 射線成像中實現(xiàn)盡可能高的劑量效率，我們將 X 射線相襯、布拉格放大鏡和單光子計數(shù)探測器結(jié)合在一起，所有這些都針對 30 keV 的最佳 X 射線能量進行了優(yōu)化，"Spiecker 說。"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(xiàn)在才對其進行了探索。"
在證明他們的新系統(tǒng)可以達到 90% 以上的劑量效率，同時提供高達 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 射線能量和 30 keV X 射線能量的傳統(tǒng)高分辨率探測器系統(tǒng)進行了比較。
Spiecker說："在這種能量下，我們的系統(tǒng)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(tǒng)系統(tǒng)高出兩個數(shù)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 射線劑量。"
為微小昆蟲成像
研究人員隨后使用該系統(tǒng)對廣泛用于生物害蟲控制的活體寄生蜂進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(nèi)捕捉到小黃蜂的圖像長達30分鐘，然后小黃蜂才最終出現(xiàn)。
研究人員說，這種方法可能也適用于生物醫(yī)學應用，比如對活檢樣本進行溫和的斷層掃描檢查。不過，使用布拉格放大鏡需要單色、相干和準直的光束，而X射線同步加速器設施可以提供這種光束。他們還在繼續(xù)改進該系統(tǒng)，以獲得更大的視場和更高的長期機械穩(wěn)定性，從而延長測量時間。
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