生命透視眼：上海光源X射線成像技術(shù)，讓疾病無(wú)處遁形！

出品：科普中國(guó)

作者：薛艷玲（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

當(dāng)你不幸摔斷了手臂，去醫(yī)院要做的第一步就是“拍個(gè)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(xué)影像。

X光片

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

歷史的回響：X射線的發(fā)現(xiàn)

故事要從1895年講起，德國(guó)科學(xué)家倫琴在一次陰極射線實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(lái)源：VEER圖庫(kù)）

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(lái)說(shuō)，X射線的產(chǎn)生是通過(guò)燈絲加熱放出熱電子，電子通過(guò)高壓電場(chǎng)加速，加速后的電子撞擊金屬靶，撞擊過(guò)程中，電子突然減速，其損失的動(dòng)能會(huì)以光子形式放出，形成連續(xù)的X射線。

倫琴通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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(lái)源：wikidoc）

這一發(fā)現(xiàn)，如同一道閃電劃破了科學(xué)的夜空，開(kāi)啟了人類透視物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新紀(jì)元，倫琴也因此榮獲了1901年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)，隨著人們對(duì)X射線的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)X射線具有很強(qiáng)的穿透能力，與物質(zhì)相互作用，會(huì)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(dāng)X射線穿過(guò)物體時(shí)，由于不同成分對(duì)X射線的吸收程度各異，導(dǎo)致射線強(qiáng)度發(fā)生不同程度的減弱。這種吸收差異被探測(cè)器捕捉并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

在醫(yī)學(xué)成像中，通常使用X射線管產(chǎn)生X射線，射線穿過(guò)人體后，被探測(cè)器接收。探測(cè)器根據(jù)接收到的X射線強(qiáng)度差異，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)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(xué)中，X射線成像用于檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)能力等優(yōu)勢(shì)，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和工業(yè)檢測(cè)不可或缺的工具。

從“蠟燭”到“太陽(yáng)”，同步輻射光源誕生！

如果說(shuō)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(wàn)丈的太陽(yáng)。

隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)微觀世界的探索不斷深入，對(duì)X射線源的亮度和通量的追求也越來(lái)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(gè)亮度逐步提高的過(guò)程。

傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)主要依賴于樣品對(duì)X射線的吸收來(lái)成像，它主要適用于強(qiáng)吸收的樣品成像，比如骨骼、金屬等，這限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。而基于同步輻射的X射線具有良好的相干性，可以實(shí)現(xiàn)相位襯度成像，它可以對(duì)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(zhǔn)相干等優(yōu)點(diǎn)，讓我們?cè)谔剿魑⒂^世界的道路上走得更遠(yuǎn)、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(gè)方面：

1、產(chǎn)生原理：同步輻射光源是由接近光速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guò)高能電子束轟擊靶材產(chǎn)生X射線。

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

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(shí)間分辨率和空間分辨率。

4、高準(zhǔn)直、方向性強(qiáng)：同步輻射光的發(fā)散集中在以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行牡囊粋€(gè)非常窄的圓錐內(nèi)，張角極小，幾乎是平行光。

5、時(shí)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(tuán)狀的電子束進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)的，因此，同步輻射光呈現(xiàn)為具有時(shí)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(shí)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(guò)程中不產(chǎn)生污染。

經(jīng)歷數(shù)次“進(jìn)化”，上海光源終于建成

同步輻射光源經(jīng)歷了四次“進(jìn)化”。

第一代同步輻射光源是“寄生”在粒子對(duì)撞機(jī)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(chǔ)存環(huán)技術(shù)，電子束發(fā)射度比上一代降低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，接近甚至達(dá)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(shè)中的高能同步輻射光源和合肥先進(jìn)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(shè)計(jì)。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(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)志著中國(guó)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(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行中的光源的前列，總體性能達(dá)到了同類裝置的國(guó)際先進(jìn)水平。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，帶來(lái)更多福音

上海光源，作為國(guó)際先進(jìn)的同步輻射光源之一，為科學(xué)家們提供了一個(gè)前所未有的研究平臺(tái)。

基于同步輻射的X射線相干性，科學(xué)家們實(shí)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(guò)樣品后產(chǎn)生的相位變化來(lái)對(duì)物體進(jìn)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(fù)折射率來(lái)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(guò)物體之后的振幅和相位變化。對(duì)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(wàn)倍，這種技術(shù)與傳統(tǒng)的X射線吸收成像相比，能夠?yàn)檩p元素樣品提供更高的襯度。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)ι镘浗M織等弱吸收樣品進(jìn)行清晰成像，為醫(yī)學(xué)診斷帶來(lái)革命性的變化。

相襯成像和傳統(tǒng)吸收成像對(duì)比

（圖片來(lái)源：上海光源成像線站）

肺部疾病往往因?yàn)樵\斷不及時(shí)而錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí)機(jī)。傳統(tǒng)的X射線成像技術(shù)對(duì)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(gè)肺泡，從而有望實(shí)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(lái)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(guò)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(lái)源：上海光源成像線站）

同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還可以幫助我們?cè)u(píng)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(lái)源：上海光源成像線站）

在藥物研究領(lǐng)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(jī)制。這一技術(shù)為高端藥劑的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新提供了重要的科學(xué)指導(dǎo)，讓我們從“知其然”邁向“知其所以然”。

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

結(jié)語(yǔ)

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(xiàng)技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類社會(huì)的進(jìn)步貢獻(xiàn)更多力量。讓我們期待它在未來(lái)創(chuàng)造更多的奇跡！

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