介绍

随着高灵敏度科学探测器的选择，研究人员可获得的定制荧光屏和先进的X射线源继续扩大，X射线相位对比成像技术的范围和多样性也在不断扩大。该笔记描述了相位对比成像的新应用，其中是高性能的普林斯顿仪器Quad-RO和PI-SCX相机用于获取高分辨率，定量X射线图像。

X射线相位对比成像

X射线相位对比成像是广泛的生物和医学研究的可视化细胞和组织学结构的重要方法。虽然传统的X射线成像产生了通过在X射线源穿过样品后测量x射线光子通量来测量样品的吸收性质的图像，但X射线相位对比成像使用空间相干光束分辨率检测器获取样品的更清晰，更详细的图像。当束的相干x射线光子穿过样本中x射线折射不同指数的区域时，它们被折射并经历相移，从而失去相干性，并且与未折射的光子产生建设性和相关性的干涉图案（参见图1）。这些模式可以实现样品内界面的高对比度成像。1

相位对象边缘的相位干涉效应增强了吸收对比度

系统描述

最近，布朗大学的Christoph Rose-Petruck博士和Gerald Diebold博士以及布朗大学罗德岛医院肝脏研究中心的研究人员和布朗大学的Warren Alpert医学院的研究人员开发了一个实验方案，其中一个微焦点X射线来源和科学检测器在固定的小鼠肝脏中产生脉管系统的高分辨率相位对比图像。 他们与伊利诺伊理工学院的同事的合作随后将这项工作扩展到固定鼠肝脏的相位对比度计算机断层成像。1 该Princeton Instruments应用笔记简要介绍了其成像系统设置，并提供了一些获取的数据。

X射线源

微焦点X射线源用于在20微米的钨极阳极上聚焦点将电子加速至90keV直径。 当电子与阳极相互作用时，电子的减速度产生从20μm电子束聚焦发射的多色x射线。 焦点大小是分辨率和空间一致性的极限。 通常，R1为〜60厘米，R2为〜180厘米，放大倍数为〜3倍（见图2）。

X射线相位成像系统设置。 图表由布朗大学化学系Christoph Rose-Petruck博士提供

探测器

为了减少空气中的X射线吸收，X射线束穿过氦环境并撞击GdOS：Tb磷光体耦合的CCD。 CCD相机是一种热电冷却，1600万像素的普林斯顿仪器PI-SCX，具有15个像素的4096 x 4096阵列。

协议和结果

切割的样品浸入甲醛中，甲醛与肝脏中的蛋白质交联。然后将样品除湿少于20％，以允许血管和微血管填充空气。空气/软组织界面处的密度梯度产生强烈的X射线吸收和相位对比特征。

所得到的血管图像被解析为20μm尺度（参见图3），包括最小血管的大小。其他图像，采用充满水的容器，展现相同的分辨率，但需要更长的曝光时间。

使用普林斯顿仪器公司的PI-SCX：4096摄像机采集X射线相位对比成像获得的数据

 图片由布朗大学化学系Christoph Rose-Petruck博士提供

通过使用转移到肝脏中的人结肠癌的鼠模型，可以通过该成像方案观察早期肿瘤和相关的血管形成。血管生长和坏死在几种人类病理学的增殖动力学中起关键作用，解释研究者。许多类型的癌症信号来自附近血管的新血管形成，使肿瘤获得生长和转移所必需的营养物质。因此，研究人员指出，血管成像对于研究血管生长动态和潜在确定旨在预防新生血管形成的治疗药物的疗效至关重要。

未来的应用

除了本实验协议中引用的PI-SCX摄像机，Rose-Petruck / Diebold成像组现在还使用了Princeton Instruments Quad-RO摄像机。像PI-SCX一样，Quad-RO采用了一种热电冷却CCD，可在550 nm处提供良好的量子效率（QE）。也就像它的PI-SCX前身，Quad-RO可以配置一个4096 x 4096像素的高分辨率光敏阵列，每个测量15微米，这样可以获得完整的61毫米x 61毫米视野。

然而，Quad-RO为研究人员提供了几个新的性能优势。也许最重要的是，当PI-SCX提供单端口读数时，Quad-RO拥有四端口读数。电子平衡象限匹配在1.0％以内，产生非常均匀的原始图像。 Rose-Petruck博士用Quad-RO报告全分辨率图像的读出时间约为4秒，而与PI-SCX相比，每分辨率完全分辨率为17秒。他继续指出，他的实验室可能的下一步将是开发类似的肝脏离体灌注成像方案。另一个潜在的应用包括同时使用超声波（结构组织差异的特征在于声学差异），以进一步增强x射线图像对比度。诸如Quad-RO X射线摄像机等高级科学探测器可以帮助促进新兴研究领域如这些领域的进步。

四合一RO

普林斯顿仪器Quad-RO摄像机（参见图4）专为间接成像X射线或其他朗伯源而设计，不仅能够在四个端口上读出，它提供每个端口两个读出速度，板上存储器无损图像和工业标准FireWire（IEEE 1394a）接口。

图4.多端口普林斯顿仪器四路摄像机。

软件可选择的双速操作（500 kHz或1 MHz）和多增益设置允许研究人员针对几乎所有苛刻的中等能量（3.5 keV至150 keV）x射线应用定制Quad-RO成像性能。

荧光屏

Quad-RO摄像机的行业独特的机械设计，其中光纤在真空之外延伸，提供了使用定制荧光屏在实验室中以期望的x射线能量优化系统性能所需的灵活性。 

GdOS：Tb荧光屏在550nm的发射波长下可用于8,12和17keV。 CsI：还提供T1荧光屏。

1.“高分辨率血管造影：计算机断层扫描生物学53,6911-6923（2008）。切除的小鼠肝脏样本的耦合X射线相位造影成像”

C.M.Laperlea，P.Westmeyerb，E。 Walkera，D.Shic，M.Anastasioc，C.Ross-Petrucka，G.Diebolda和J.R.Wandsb，Physics in Medicine 和

a布朗大学化学系

b罗德岛医院肝脏研究中心和布朗大学Warren Alpert医学院

c伊利诺伊理工学院生物医学工程系，芝加哥，伊利诺伊州60616

文章来源Princeton Instruments