X射线方法能够对活体生物体进行长时间的微米分辨率成像

研究人员开发了一种 X 射线成像技术，可以用比以前低得多的 X 射线剂量生成活体生物体的详细图像。这一进步使得小型生物体或其他敏感样本能够在更长的时间内以高分辨率进行研究，这可能揭示对各种动态过程的新见解。

该方法基于相衬成像，它不仅依赖于样品中 X 射线的吸收，还依赖于 X 射线的波特性。更准确地说，它根据 X 射线穿过样本时发生的相变创建图像。德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究小组成员 Rebecca Spiecker 解释说：“以前，对活体生物体进行微米级分辨率的 X 射线相衬成像只能持续几秒钟到几分钟，因为会发生严重的辐射损伤。” “我们克服了当前剂量敏感应用高分辨率成像的限制，减少了必要的 X 射线剂量。”

在Optica出版集团的高影响力研究期刊Optica 中，研究人员描述了他们如何开发一种新型 X 射线成像系统，该系统使用专用高效 X 射线光学器件和单光子计数探测器来提高剂量效率用于微米分辨率的全视场成像。他们通过对从寄主卵中出现的微小寄生蜂进行 30 多分钟的成像，展示了新技术的优势。

“我们证明，与传统的高分辨率探测器相比，我们的方法表现出卓越的成像性能，”斯皮克说。“这可能很有用，例如，可以在比目前更长的时间范围内捕获小型模型生物体(例如非洲爪蟾胚胎)的发育和行为细节。”

辐射更少、图像更好

X 射线成像可以揭示生物体中隐藏的结构和过程。然而，它也会使生物体暴露在高剂量的有害辐射下，从而限制了在损害发生之前观察的持续时间。常用的高分辨率探测器的探测效率随着分辨率的增加而降低，这意味着需要更高的 X 射线剂量才能获得高分辨率图像，这一事实加剧了这种情况。

为了克服这一挑战，研究人员开发了一种相衬成像方法，直接放大X射线图像，而不是将X射线图像转换为可见光图像然后再放大，这是典型的方法。这使得他们能够使用高效的大面积探测器，同时保持微米级空间分辨率。

在新的成像系统中，研究人员使用了像素尺寸为55微米的单光子计数成像探测器。使用晶体光学器件(称为布拉格放大器)在样品后面放大 X 射线图像。后者由两个完美的硅晶体组成，可以进行放大。

“为了在微米分辨率下实现全视场 X 射线成像的最高剂量效率，我们将 X 射线相衬、布拉格放大器和单光子计数探测器结合在一起，所有这些都针对最佳 X 射线能量进行了优化30 keV，”斯皮克说。“布拉格放大镜的概念可以追溯到 20 世纪 70 年代末，尽管人们已经注意到它们提高剂量效率的潜力，但直到现在才得到探索。”

在证明他们的新系统可以实现超过 90% 的剂量效率，同时提供高达 1.3 微米的分辨率后，研究人员将其性能与使用相同样本、X 射线注量和 30 keV X 射线能量。斯皮克说：“在这种能量下，我们的系统的探测量子效率超过了传统系统两个数量级以上的图像相关高分辨率组件。” “这会产生更好的图像，并大幅减少样本中的 X 射线剂量。”

微小昆虫成像

研究人员随后使用该系统对活寄生蜂进行了试点行为研究，寄生蜂广泛用于生物害虫防治。由于辐射暴露极小，他们能够在黄蜂最终出现之前 30 分钟内捕捉到它们宿主卵内的小黄蜂的图像。

研究人员表示，该方法也可能适用于生物医学应用，例如对活检样本进行温和的断层扫描检查。然而，使用布拉格放大器需要单色、相干且准直的光束，这在 X 射线同步加速器设施中是可用的。他们还继续改进系统，以实现更大的视野并提高长期机械稳定性，从而实现更长的测量时间。

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