Hadamard金掩模振幅調(diào)制板大大推進X光鬼成像的實用化進程

X光透射成像/CT作為非侵入式的診斷方式，是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的臨床檢測手段。但由于電離效應(yīng)X射線對于蛋白質(zhì)、細胞等會造成相當(dāng)程度的輻射損傷，據(jù)國際放射學(xué)會研究報告，每年X射線的醫(yī)學(xué)診斷就會導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的癌癥和白血病患者，因此如何降低診斷所需的劑量至關(guān)重要。而自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，成像的方法并沒有根本上的改變，都是采用直接投影到面探測器，通過累計帶有物體信息的光子來展現(xiàn)出一定灰度分布的技術(shù)，因此這種方式的成像效率很低，不僅難以大幅度地降低成像所需劑量，而且分辨率受光源尺寸及探測設(shè)備分辨力的限制，成為制約傳統(tǒng)成像方法的兩大相互牽制的瓶頸問題。

針對輻射劑量的瓶頸問題，2018年中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員吳令安和陳黎明合作，首次利用隨機調(diào)制光強度的簡單方法實現(xiàn)了臺面式X光“鬼”成像，這種間接的成像方式是基于光場的二階關(guān)聯(lián)，成像質(zhì)量取決于探測信號的漲落而非強度的絕對值。以此為基礎(chǔ)，團隊完成了單光子量級的超低劑量成像，成果發(fā)表在Optica以后受到了廣泛關(guān)注，被Science在深度欄目中報道。在Science的報道中，同領(lǐng)域的專家給予了高度評價：“如果應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，這將是一項革命性的進步”，與此同時也對該工作提出希望：“提高成像的分辨率與質(zhì)量，以適應(yīng)醫(yī)學(xué)成像的要求”?；谏鲜鰧嶋H需求，物理所研究員吳令安與現(xiàn)上海交通大學(xué)教授陳黎明再次合作，開啟了解決成像分辨率瓶頸問題的探索。

近期研究團隊中的博士生何雨航和張艾昕（共同一作），利用自主研制的Hadamard金掩模振幅調(diào)制板，首次實現(xiàn)了基于真正單像素探測器的非相干X光鬼成像。相比于隨機調(diào)制的方案，該方法利用了Hadamard矩陣的正交完備特性，因此即使在稀疏采樣下也能重構(gòu)出較好的圖像。在此基礎(chǔ)上，通過引入壓縮感知以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對原有算法進行了升級，最終利用37 μm源尺寸的X光源，在僅18.75%的采樣率下就得到了10 μm分辨率的成像結(jié)果，實現(xiàn)了突破源尺寸限制的超分辨成像，足以對癌變組織進行直接判斷，達到了臨床醫(yī)學(xué)精細成像的分辨率要求。在計算鬼成像的框架下，高性能的算法以及調(diào)制板的精細結(jié)構(gòu)保證了超分辨下較好的圖像質(zhì)量，而更低的采樣率意味著更短的曝光時間以及更低的劑量，因此有望利用該技術(shù)進一步降低劑量。整個實驗布局簡單，使用方便，單像素探測器的應(yīng)用也可極大地降低成本。另一方面，應(yīng)用該方法極大地降低了對放射源的空間相干性和強度的要求，可以大大推進X光鬼成像的實用化進程。

（a） 物體的3D示意圖；（b） 金掩模板掃描電鏡圖像；（c） 樣品的X光透射成像圖，曝光時間為5s；（d） 經(jīng)過4096次曝光后利用TVAL3算法重構(gòu)的圖像，對比度/噪聲比（CNR）為0.27；（e） 經(jīng)過768次曝光后利用CH-MWCNN算法重構(gòu)的圖像，CNR為2.65。

以上研究成果已在線發(fā)表于APL Photonics 5， 056102 （2020）。該工作得到科技部（2017YFA0403301、2017YFB0503301、2018YFB0504302）、國家自然科學(xué)基金（11721404、11991073、61975229、61805006、11805266）、中科院（XDB17030500、XDB16010200）有關(guān)項目基金的支持。
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