【摘要】：1895年倫琴在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了 X射線。X射線因其具有波長短、穿透能力強(qiáng)的特性,被廣泛的應(yīng)用于成像領(lǐng)域。X射線成像具有無損、高分辨等特征,而且可以實(shí)現(xiàn)厚樣品的三維成像,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡成像以及電子顯微成像的諸多不足,填補(bǔ)了二者之間的gap。目前,第三代同步輻射光源已經(jīng)可以提供性能優(yōu)越的軟X射線和硬X射線。相比于普通光源,同步輻射具有準(zhǔn)直性好,亮度高,光譜寬的特性,在物理學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)以及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。同步輻射X射線成像是研究生物樣品三維結(jié)構(gòu)和組織的重要方法,然而生物樣品的成像目前存在諸多亟待解決的問題。例如:如何降低實(shí)驗(yàn)過程中樣品受到的輻射損傷;基于生物樣品的X射線吸收系數(shù)較低的情況下,如何實(shí)現(xiàn)含水樣品的x射線成像;如何選取合適的三維重建算法等。針對(duì)以上同步輻射X射線成像存在的問題,利用上海同步輻射光源研究平臺(tái),開展了細(xì)胞以及血管的三維成像研究,具體的內(nèi)容為:(1)EST重建算法參數(shù)對(duì)重建效果的影響的研究。結(jié)合后續(xù)實(shí)驗(yàn)樣品酵母菌的細(xì)胞形態(tài),在MATLAB軟件中建立三維重建樣品模型并生成投影,根據(jù)等斜率迭代三維重建算法(EST)進(jìn)行樣品的三維重建,對(duì)不同數(shù)目投影的EST三維重建效果進(jìn)行了研究。投影數(shù)目從6個(gè)到360個(gè)進(jìn)行間隔選取,對(duì)這些不同數(shù)目的投影進(jìn)行重建,重建后通過重建的結(jié)果與原始的模型進(jìn)行對(duì)比,分析了重建投影數(shù)目對(duì)于重建誤差的影響,探究了 missing wedge對(duì)于樣品重建后三維結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。對(duì)于等傾的不同數(shù)目投影的EST重建投影,隨著投影數(shù)目增加并達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),重建結(jié)構(gòu)與原始模型的誤差保持恒定,在存在misssing wedge的情況下誤差和偽影更為明顯。投影的missing wedge會(huì)造成重建后樣品的外形輪廓存在一定的變形,而且很難通過提高非missing wedge區(qū)域投影的數(shù)量來進(jìn)行校正。此外,與缺失投影面相垂直的曲線結(jié)構(gòu)將難以被分辨。該模擬為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的重建工作提供了指導(dǎo)。(2)裂殖酵母細(xì)胞的三維低劑量掃描透射X射線成像(STXM)與掃描CDI(ptychography)三維重建的研究。結(jié)合STXM實(shí)驗(yàn)方法與等斜率投影重建算法,進(jìn)行了分裂期裂殖酵母的低劑量高分辨的三維成像。投影的角度分布于58.0°至-72.6°之間,像素分辨率為30nm。樣品經(jīng)過EST重建后可以觀察到其圓柱狀的外形、畸變的分裂隔膜結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的孔洞結(jié)構(gòu)。利用掃描透射成像方式和EST重建算法降低了樣品的輻射劑量�；赟TXM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了酵母菌掃描CDI三維成像研究。根據(jù)STXM實(shí)驗(yàn)中選取的等傾投影角度進(jìn)行掃描CDI成像,獲取衍射數(shù)據(jù)后,對(duì)衍射圖樣進(jìn)行相位恢復(fù),重建后得到實(shí)空間像素分辨率為4.69nm的復(fù)投影矩陣,元素的模值和相位分別反映的是樣品的對(duì)X射線吸收信息和電子密度信息。分別對(duì)模值投影和相位投影進(jìn)行EST重建,并對(duì)二者重建的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)際重建結(jié)果表明,模值重建結(jié)果分辨率更高且反應(yīng)了更多細(xì)節(jié),而相位重建后樣品結(jié)構(gòu)邊界較為清晰。(3)小鼠毛細(xì)血管的同步輻射X射線全場透射成像研究。利用同步輻射硬X射線,對(duì)小鼠的毛細(xì)血管進(jìn)行了研究,在12keV能量下采集了 1080個(gè)投影,CT三維重建,實(shí)現(xiàn)了血管的三維亞微米級(jí)成像。實(shí)驗(yàn)中對(duì)血管進(jìn)行了同軸相位襯度X射線成像,證明了 X射線弱吸收樣品的相位襯度成像相對(duì)于吸收襯度成像的優(yōu)勢,并實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞圍成毛細(xì)血管的三維成像。此外,對(duì)含水的血管進(jìn)行了全場透射成像,含水血管的主動(dòng)脈與周圍的水環(huán)境襯度不明顯,而毛細(xì)血管則重建效果較好,內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了類似“竹節(jié)”狀結(jié)構(gòu),證明該種結(jié)構(gòu)在原位含水的毛細(xì)血管中存在。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O434.1
【圖文】：

使用克魯克斯高度真空管（ＣｒｏｏｋｅｓＴｕｂｅｓ）通高壓電流研宄陰極射線時(shí)，發(fā)現(xiàn)了逡逑一種未知的射線。倫琴本人由于無法確定該射線的確切屬性，將其命名為Ｘ射逡逑線［１］。同年，倫琴利用Ｘ射線拍攝了其夫人手掌的透射照片（圖１．１），即世界逡逑首張Ｘ射線照片。該張照片中，整個(gè)手掌被射線穿透，骨骼組織清晰可見，成為逡逑了邋Ｘ射線臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用的開端。倫琴也因發(fā)現(xiàn)Ｘ射線而被授予首屆諾貝爾物理逡逑學(xué)獎(jiǎng)，Ｘ射線也被稱為倫琴射線。逡逑ａＢ＊逡逑圖１．１邋Ｘ射線發(fā)現(xiàn)者倫琴（左）以及世界上首張Ｘ射線照片（右）逡逑Ｘ射線由于其波長短和極強(qiáng)穿透性的優(yōu)勢，可以用于樣品的無損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)逡逑觀測，例如：在工業(yè)生產(chǎn)過程中檢測鑄造、焊接產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷，在臨床醫(yī)學(xué)中逡逑診療腫瘤類疾病，以及通過晶體對(duì)Ｘ射線的衍射規(guī)律解析晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等逡逑［２］［３］。Ｘ射線極大的推動(dòng)了當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展，被認(rèn)為是跨世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)之一。逡逑然而Ｘ射線在大多數(shù)介質(zhì)中折射率小于１，難以用光學(xué)元件進(jìn)行聚焦，且成像后逡逑像差嚴(yán)重

邐山東大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑行，其俯視結(jié)構(gòu)如圖１．２所示。ＳＳＲＦ屬于目前全球性能優(yōu)越的中能光源，在第逡逑三代光源中光束能量位于世界第四。目前，國際上己經(jīng)建成包括日本Ｓｐｒｉｎｇ－８、逡逑美國ＮＳＬＳ、法國的ＥＳＲＪＦ在內(nèi)的幾十個(gè)同步輻射光源［１１］。逡逑焌逡逑圖１．２上海同步輻射光源［１０］逡逑１．２．２同步輻射Ｘ射線的特征逡逑第三代同步輻射光源可以提供性能穩(wěn)定優(yōu)越的軟Ｘ射線和硬Ｘ射線。相比逡逑于普通光源，同步輻射的光通量可以高出幾萬倍，光譜也更加的平滑連續(xù)。目前，逡逑在物理學(xué)、表面化學(xué)與材料化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)以及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，同步輻射逡逑用于樣品的分析與表征手段具有不可替代的作用［１２］［１３］。未來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，同逡逑步輻射也將提供普通光源無法實(shí)現(xiàn)的診療方法。逡逑相比于普通光源，同步輻射主要優(yōu)勢如下：逡逑１．光譜寬而且連續(xù)：同步輻射的覆蓋了紅外線、可見光、真空紫外、軟Ｘ射逡逑線、硬Ｘ射線多個(gè)波段，其波長范圍跨越的９個(gè)數(shù)量級(jí)。在強(qiáng)度相近的光源中，逡逑只有同步輻射能覆蓋這樣寬廣的頻譜范圍。且同步輻射能量分辨率低于１Ｘ１０＇逡逑３逡

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號(hào)：2735814