x射线方法可以在很长一段时间内对生物体进行微米分辨率成像

研究人员开发出一种 X 射线成像技术，能以比以前低得多的 X 射线剂量生成生物体的详细图像。这一进步使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，从而揭示各种动态过程的新见解。

由于采用了两个布拉格放大镜晶体（中间）和一个单光子计数探测器（左侧），新的 X 射线成像技术使用的 X 射线量大大降低。右图为样品。资料来源：卡尔斯鲁厄理工学院 Rebecca Spiecker

这种方法以相衬成像为基础，不仅依赖于样品对 X 射线的吸收，还依赖于 X 射线的波特性。更准确地说，它是通过 X 射线穿过样本时发生的相位变化来生成图像的。

"来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队成员Rebecca Spiecker解释说："以前，对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。"我们克服了目前高分辨率成像在剂量敏感应用中的局限性，从而降低了必要的 X 射线剂量"。

在《Optica》上，研究人员介绍了他们如何开发出一种新型 X 射线成像系统，该系统使用专用的高效 X 射线光学器件和单光子计数探测器，提高了微米分辨率全场成像的剂量效率。他们通过对从寄主卵中出来的小寄生蜂进行超过 30 分钟的成像，证明了这项新技术的优势。

Spiecker说："我们的研究表明，与传统的高分辨率探测器相比，我们的方法具有更优越的成像性能。"例如，这对于捕捉小型模式生物（如爪蟾胚胎）在比目前更长的时间范围内的发育和行为细节非常有用。

用更少的辐射获得更好的图像

X 射线成像可以揭示生物体内隐藏的结构和过程。然而，它也会使生物体暴露在高剂量的有害辐射中，从而限制了在损害发生之前的观察时间。更糟糕的是，常用的高分辨率探测器的探测效率会随着分辨率的提高而降低，这意味着需要更高的 X 射线剂量才能获得高分辨率图像。

为了克服这一难题，研究人员开发了一种相位对比成像方法，直接放大 X 射线图像，而不是将 X 射线图像转换成可见光图像，然后再放大（这是一种典型的方法）。这使他们能够使用高效的大面积探测器，同时保持微米级的空间分辨率。

一种新的 X 射线成像技术可以用比以前低得多的 X 射线量生成生物体的详细图像。研究人员使用这种新技术对从寄主卵中孵化出来的微型寄生蜂进行了长达 30 多分钟的成像。图片来源：卡尔斯鲁厄理工学院 Rebecca Spiecker。

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。X 射线图像通过晶体光学器件（即布拉格放大镜）在样品后面进行放大。后者由两块完美的硅晶体组成，用于进行放大。

"为了在微米分辨率的全场 X 射线成像中实现尽可能高的剂量效率，我们将 X 射线相衬、布拉格放大镜和单光子计数探测器结合在一起，所有这些都针对 30 keV 的最佳 X 射线能量进行了优化，"Spiecker 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在提高剂量效率方面的潜力，但直到现在才对其进行了探索。

在证明他们的新系统可以达到 90% 以上的剂量效率，同时提供高达 1.3 微米的分辨率之后，研究人员使用相同的样品、X 射线能量和 30 keV X 射线能量，将其性能与传统的高分辨率探测器系统进行了比较。

Spiecker说："在这种能量下，我们的系统的探测量子效率在图像的相关高分辨率成分方面比传统系统高出两个数量级以上。"这不仅能获得更好的图像，还能大幅降低样品中的 X 射线剂量。

微小昆虫成像

研究人员随后使用该系统对活体寄生蜂进行了试验性行为研究，寄生蜂被广泛用于生物害虫控制。由于辐射量极低，他们能够在寄主卵内捕捉小黄蜂的图像长达30分钟，然后小黄蜂才最终出现。

研究人员说，这种方法可能也适用于生物医学应用，比如对活检样本进行温和的断层扫描检查。不过，使用布拉格放大镜需要单色、相干和准直的光束，而X射线同步加速器设施可以提供这种光束。他们还在继续改进该系统，以获得更大的视场和更高的长期机械稳定性，从而延长测量时间。