基于等斜率迭代算法的生物样品低剂量三维成像研究

Low-dose three-dimensional imaging of biological samples is of great significance for life sciences and medical applications. Because image reconstruction technique is the key of X-ray tomography, a new algorithm – equally sloped tomography will be used for image reconstruction in the project. This algorithm is based on the pseudo-polar fast Fourier transform. In order to reduce radiation dose, a small amount of projections, which are acquired at equally-sloped angles, is used to obtain high-precision image of samples. We will make use of Shanghai Synchrotron Radiation Facility and make equipment improvements at appropriate beamlines, to carry out low dose, high-resolution, quantitative three-dimensional imaging of biological samples. In combination with phase contrast imaging and scanning transmission X-ray imaging, equally sloped tomography can provide three-dimensional imaging of biological samples in the case of a relatively small number of projections or incomplete data. We will also explore imaging of living organisms. We hope this work can not only open a door to low dose three-dimensiona imaging of biological samples, but also improve the research capabilities in imaging at Shanghai Synchrotron Radiation Facility.

实现生物样品的低剂量三维成像，对于基础生命科学研究和医学应用具有重要意义。图像重建技术是X射线层析成像的核心和关键，本项目拟采用等斜率迭代这一新算法进行图像重建。该方法是基于伪极傅里叶变换，用等斜率方式取代传统CT的等角度方式采集投影，利用少量投影获得高精度图像，从而降低样品辐射剂量。本项目拟充分利用上海光源，通过对线站设备的适当改进，优化和应用等斜率迭代算法，开展生物样品的低剂量、高分辨、定量化三维成像方法研究。针对上海光源线站的特点，将等斜率迭代算法分别和扫描透射X射线成像与相衬成像结合，实现在投影数目较少或数据不全情况下生物样品的三维高分辨成像；并探索活体生物的三维成像。希望通过本项目研究，丰富和发展上海光源线站成像方法，提升我国大科学装置在活体生物成像及三维高分辨成像方面的研究能力。

为丰富和发展上海同步辐射光源线站成像方法，提升了我国大科学装置在活体生物成像及三维高分辨成像方面的研究能力，本项目利用上海同步辐射大科学装置，通过对线站成像设备的改进和等斜率迭代三维重建算法的优化，开展了生物样品的低剂量、高分辨、定量化三维成像方法研究，实现了从厘米到微米尺寸生物样品的低剂量成像，相比传统X射线成像技术，其辐射剂量得到大幅度降低。其中，在上海光源13W线站上利用同轴相位衬度成像方法，实现了蚯蚓和活体黄粉虫的三维高分辨成像；在08U线站上利用扫描透射X射线成像方法实现了投影数目较少情况下大尺寸巨噬细胞的三维高分辨成像；同时，还利用X射线自由电子激光装置开展了衍射增强相干衍射单脉冲成像方法，实现了弱衍射趋磁细菌的二维高分辨定量成像，为最终实现生物样品纳米分辨率的低辐射成像进行了探索。通过本项目生物样品的低剂量成像研究，不仅丰富和发展了我国大科学装置线站成像方法，而且对基础生命科学研究和医学应用具有重要意义。目前，本项目已发表SCI论文9篇，申请并授权相关发明专利1项。在项目实施期间培养博士生5人，硕士生4人，并按照国际交流合作计划顺利完成学术交流和合作。