生命透視眼：上海光源X射線成像技術(shù)，讓疾病無處遁形！

出品：科普中國

作者：薛艷玲（中國科學院上海高等研究院研究員）

監(jiān)制：中國科普博覽

當你不幸摔斷了手臂，去醫(yī)院要做的第一步就是“拍個片子看看”。這里的“片子”，常常就是X光片，是指一種用X射線拍攝的醫(yī)學影像。

X光片

（圖片來源：veer圖庫）

歷史的回響：X射線的發(fā)現(xiàn)

故事要從1895年講起，德國科學家倫琴在一次陰極射線實驗中，意外發(fā)現(xiàn)了一種能穿透物體并在熒光屏上產(chǎn)生影像的神秘射線。倫琴確認這是一種新的射線，并將其命名為X射線，以表示未知。

倫琴

（圖片來源：VEER圖庫）

最初，倫琴使用的是真空放電管，這是一種利用高速電子撞擊金屬靶面產(chǎn)生X射線的電子器件。具體來說，X射線的產(chǎn)生是通過燈絲加熱放出熱電子，電子通過高壓電場加速，加速后的電子撞擊金屬靶，撞擊過程中，電子突然減速，其損失的動能會以光子形式放出，形成連續(xù)的X射線。

倫琴通過進一步實驗發(fā)現(xiàn)，這種射線能穿透多種材料，并在1895年12月22日拍攝了歷史上第一張X光照片——他妻子手部的照片，揭示了骨骼結(jié)構(gòu)。

歷史上第一張X光照片

（圖片來源：wikidoc）

這一發(fā)現(xiàn)，如同一道閃電劃破了科學的夜空，開啟了人類透視物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新紀元，倫琴也因此榮獲了1901年的諾貝爾物理學獎。后來，隨著人們對X射線的進一步研究，發(fā)現(xiàn)X射線具有很強的穿透能力，與物質(zhì)相互作用，會發(fā)生干涉、衍射、反射、折射等現(xiàn)象，從而可以獲得物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)等信息。

X射線成像正是基于X射線與物質(zhì)相互作用的原理：當X射線穿過物體時，由于不同成分對X射線的吸收程度各異，導致射線強度發(fā)生不同程度的減弱。這種吸收差異被探測器捕捉并轉(zhuǎn)換成電信號。

在醫(yī)學成像中，通常使用X射線管產(chǎn)生X射線，射線穿過人體后，被探測器接收。探測器根據(jù)接收到的X射線強度差異，轉(zhuǎn)換成相應的電信號，再由計算機處理生成具有不同灰度的圖像。，形成人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影像。在工業(yè)和材料科學中，X射線成像用于檢測材料內(nèi)部缺陷、分析晶體結(jié)構(gòu)等。X射線成像技術(shù)因其高分辨率和無損檢測能力等優(yōu)勢，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代醫(yī)學和工業(yè)檢測不可或缺的工具。

從“蠟燭”到“太陽”，同步輻射光源誕生！

如果說傳統(tǒng)的X光管光源是微弱的蠟燭，那么同步輻射光源則如同光芒萬丈的太陽。

隨著科學的發(fā)展，人們對微觀世界的探索不斷深入，對X射線源的亮度和通量的追求也越來越高。從X射線管光源到同步輻射，X射線光源的發(fā)展歷程是一個亮度逐步提高的過程。

傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)主要依賴于樣品對X射線的吸收來成像，它主要適用于強吸收的樣品成像，比如骨骼、金屬等，這限制了它在某些領域的應用。而基于同步輻射的X射線具有良好的相干性，可以實現(xiàn)相位襯度成像，它可以對生物軟組織等弱吸收樣品清晰成像。它以其高亮度、高通量和準相干等優(yōu)點，讓我們在探索微觀世界的道路上走得更遠、看得更清。

同步輻射光源與傳統(tǒng)的X射線光源相比，其區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、產(chǎn)生原理：同步輻射光源是由接近光速運動的帶電粒子在磁場中進行圓周運動時，沿切線方向產(chǎn)生的電磁波。而傳統(tǒng)的X射線光源，如X射線管，通常是通過高能電子束轟擊靶材產(chǎn)生X射線。

2、波長范圍：同步輻射光源的波長覆蓋范圍比較寬，從遠紅外到硬X射線，甚至伽馬射線，且波長是連續(xù)可調(diào)的。相比之下，傳統(tǒng)X射線光源的波長范圍較窄，通常固定在某些特定的能量級。

3、亮度和通量：同步輻射光源的亮度是傳統(tǒng)X射線管光源的上億倍，能夠提供更高的時間分辨率和空間分辨率。

4、高準直、方向性強：同步輻射光的發(fā)散集中在以電子運動方向為中心的一個非常窄的圓錐內(nèi)，張角極小，幾乎是平行光。

5、時間結(jié)構(gòu)：同步輻射光源中的電子在環(huán)形軌道上的分布是以團狀的電子束進行回旋運動的，因此，同步輻射光呈現(xiàn)為具有時間結(jié)構(gòu)的脈沖光，而傳統(tǒng)X射線光源通常不具備這種時間結(jié)構(gòu)。

6、潔凈光源：同步輻射光源屬于潔凈光源，使用過程中不產(chǎn)生污染。

經(jīng)歷數(shù)次“進化”，上海光源終于建成

同步輻射光源經(jīng)歷了四次“進化”。

第一代同步輻射光源是“寄生”在粒子對撞機上的，比如北京光源；第二代同步輻射光源是專用同步輻射光源，比如合肥光源；第三代同步輻射光源大量使用了插入件，提高了同步輻射的性能，比如上海光源；而第四代同步輻射光源基于衍射極限儲存環(huán)技術(shù)，電子束發(fā)射度比上一代降低1-2個數(shù)量級，接近甚至達到X射線的衍射極限發(fā)射度，平均亮度更高。比如正在建設中的高能同步輻射光源和合肥先進光源。

上海光源作為第三代同步輻射光源，與前兩代的主要區(qū)別在于其低發(fā)射度和大量采用插入件的設計。上海光源把電子束流的能量提高到了3.5GeV，而發(fā)射度則降低到了4 nm?rad，遠遠低于第二代光源。這使得上海光源在亮度和光源品質(zhì)上有了顯著提升。上海光源的建成標志著中國大陸擁有了中能第三代同步輻射光源，它在許多重要方面位于世界上正在設計、建造、運行中的光源的前列，總體性能達到了同類裝置的國際先進水平。

應用領域廣泛，帶來更多福音

上海光源，作為國際先進的同步輻射光源之一，為科學家們提供了一個前所未有的研究平臺。

基于同步輻射的X射線相干性，科學家們實現(xiàn)了相位襯度成像技術(shù)。

X射線相位襯度成像，主要是利用X射線穿過樣品后產(chǎn)生的相位變化來對物體進行成像。X射線相位襯度成像的基本原理涉及到X射線與物質(zhì)的相互作用，可以用復折射率來表示，即n=1?δ+iβ，其中 β為吸收因子，δ為相位因子，它們分別表征了X射線透過物體之后的振幅和相位變化。對于輕元素組成的物質(zhì)，X射線相位的變化量是吸收變化量的一千甚至上萬倍，這種技術(shù)與傳統(tǒng)的X射線吸收成像相比，能夠為輕元素樣品提供更高的襯度。這項技術(shù)能夠?qū)ι镘浗M織等弱吸收樣品進行清晰成像，為醫(yī)學診斷帶來革命性的變化。

相襯成像和傳統(tǒng)吸收成像對比

（圖片來源：上海光源成像線站）

肺部疾病往往因為診斷不及時而錯過最佳治療時機。傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)對于肺部這種弱吸收組織的成像效果不佳。而同步輻射相襯成像技術(shù)能夠提供更高空間分辨和更高清晰度的圖像，甚至可以讓我們看清每個肺泡，從而有望實現(xiàn)肺部疾病的早期診斷。

小鼠肺的同步輻射X射線成像

（圖片來源：上海光源成像線站）

高血壓等心血管疾病是威脅人類健康的“隱形殺手”。通過同步輻射X射線成像技術(shù)，我們可以清晰地觀察到高血壓老鼠腦血管的變形情況，為心血管疾病的研究提供了重要的可視化手段。

高血壓老鼠腦血管的變形情況

（圖片來源：上海光源成像線站）

同時，這項技術(shù)還可以幫助我們評估肝纖維化程度和治療效果，為肝病的診斷和治療提供有力支持。

不同肝纖維化階段大鼠血管結(jié)構(gòu)的三維觀察

（圖片來源：上海光源成像線站）

在藥物研究領域，上海光源X射線成像技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。它讓我們能夠觀察到藥劑內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)，從而深入理解藥物的釋放機制。這一技術(shù)為高端藥劑的設計和創(chuàng)新提供了重要的科學指導，讓我們從“知其然”邁向“知其所以然”。

除了醫(yī)學和工業(yè)應用外，上海光源X射線成像技術(shù)還在植物學、動物學等領域發(fā)揮著重要作用。它讓我們能夠觀察到植物細胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動物骨骼的微觀特征等，為生命科學的研究打開了新的窗口。

結(jié)語

上海光源X射線成像技術(shù)如同一雙透視眼，讓我們能夠窺視生命的奧秘、探索微觀世界的奇妙。隨著科技的不斷發(fā)展，這項技術(shù)將在更多領域發(fā)揮重要作用，為人類社會的進步貢獻更多力量。讓我們期待它在未來創(chuàng)造更多的奇跡！

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