本文選題：相位襯度　切入點(diǎn)：X射線成像　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在過去的一個(gè)多世紀(jì),利用物質(zhì)吸收信息的X射線成像方法在醫(yī)學(xué)診斷、材料科學(xué)、信息科學(xué)、生命科學(xué)以及各種工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的更新,如今X射線成像研究在吸收襯度成像基礎(chǔ)上,開展了很多基于相位襯度的成像理論和實(shí)驗(yàn)方法學(xué)研究。自上世紀(jì)九十年代,這一研究開始被報(bào)道以來,一直受到眾多科研工作者的關(guān)注,特別是當(dāng)X射線與物質(zhì)相互作用時(shí),低原子序數(shù)組成的輕元素樣品發(fā)生的相位變化是吸收變化的幾千到幾萬倍。這無疑在生物成像和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域中有著重要的研究意義。在眾多X射線相位襯度成像技術(shù)中取得巨大發(fā)展的技術(shù)主要有兩種,分別是基于同步輻射光源的透射X射線澤尼克相襯成像和使用實(shí)驗(yàn)室光源的X射線光柵相位襯度成像。本文正是利用這兩種成像技術(shù)開展了生物成像的理論研究和相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法學(xué)的探索,根據(jù)X射線相位襯度成像系統(tǒng)的具體性質(zhì)開拓生物學(xué)成像應(yīng)用,主要包括完整細(xì)胞樣品的納米分辨三維結(jié)構(gòu)成像和水果樣品無損檢測。細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位,對(duì)于完整細(xì)胞的納米分辨三維成像的研究是目前細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的課題。以花粉細(xì)胞成像為例,目前使用較多的可見光顯微鏡受限于空間分辨率難以觀察亞細(xì)胞結(jié)構(gòu),而電子顯微鏡雖具有很高的空間分辨能力卻難以穿透完整花粉細(xì)胞獲得三維結(jié)構(gòu)信息。本文闡述的X射線顯微技術(shù),無需機(jī)械切片,并以很高的空間分辨能力進(jìn)行完整花粉細(xì)胞進(jìn)行三維成像。在獲取不同亞細(xì)胞器三維結(jié)構(gòu)和分布情況時(shí),具有快速的統(tǒng)計(jì)各細(xì)胞器的體積含量等優(yōu)勢。本文基于系統(tǒng)分辨力為30nm的北京同步輻射透射硬X射線澤尼克相襯顯微鏡,選取水稻花粉作為研究對(duì)象,開展X射線相位襯度成像理論和細(xì)胞三維成像實(shí)驗(yàn)方法學(xué)研究。合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室搭建了自主設(shè)計(jì)的X射線光柵相位襯度成像系統(tǒng),并對(duì)這一系統(tǒng)從搭建到測試,從成像理論到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證開展一系列研究工作。不同于普遍開展的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究,本文依托X射線光柵相位襯度成像平臺(tái)開展了水果無損檢測應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究,通過一次成像,同時(shí)獲得水果的吸收、相位和散射三種不同的信息。三種信息互為補(bǔ)充,從不同角度反映了樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的完整表征。通過對(duì)比三種信息圖像和已有的動(dòng)物組織成像研究,論證了 X射線光柵干涉儀成像在水果無損檢測,乃至食品無損檢測上巨大的應(yīng)用價(jià)值。本論文的工作和創(chuàng)新主要如下:1.提出了一種快速分離樣品相移信息分離新方法。本文先對(duì)X射線相位襯度成像技術(shù)從信息分離方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。并參照微分干涉儀成像原理,提出一種使用雙頻光柵用于透射顯微鏡的相移信息分離新方法。2.發(fā)展了透射X射線澤尼克相襯顯微實(shí)驗(yàn)方法學(xué)。本文通過借鑒電子顯微鏡樣品處理和軟X射線細(xì)胞成像方法,探索了適合硬X射線澤尼克相襯細(xì)胞顯微成像的方法,并在北京同步輻射裝置硬X射線澤尼克相襯顯微鏡上首次完成35微米大小真核細(xì)胞納米分辨三維成像。3.研究了花粉細(xì)胞納米分辨三維細(xì)胞器含量和分布情況。利用三維重構(gòu)片層準(zhǔn)確的將水稻花粉的細(xì)胞壁、萌發(fā)孔、細(xì)胞核、液泡、油滴和線粒體等重要的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)區(qū)分出來。統(tǒng)計(jì)并計(jì)算了花粉各細(xì)胞器的體積含量和相對(duì)表面積百分比,其中油滴所占細(xì)胞體積百分比最高,達(dá)9.98%。液泡和細(xì)胞核各占總體積的3.54%和2.25%,線粒體所占體積約2.37%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上為后續(xù)硬X射線細(xì)胞三維成像摸索出一條有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。4.開拓了 X射線光柵相位襯度成像的水果無損檢測應(yīng)用。大量的科學(xué)研究渴望利用X射線光柵相位襯度成像在醫(yī)學(xué)診斷中做出重大突破,然而由于目前X射線光柵相位襯度成像對(duì)人體造成的輻射損傷超出可接受范圍,使得這一應(yīng)用處于瓶頸之中。本文對(duì)圣女果和梅干開展實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)不同品種和狀態(tài)水果開展成像實(shí)驗(yàn),證實(shí)了 X射線光柵干涉儀對(duì)各組織密度差異較小的水果樣品成像有明顯的優(yōu)勢。
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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O434.19

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1596308