同步辐射红外三维成像技术及在骨组织细胞中的应用

The diffraction-limited spatial resolution can be obtained by infrared synchrotron radiation (IRSR) microspectroscopy technology as IRSR is much higher brighter than laboratory IR source. IRSR technology is able to obtain some microscopic information which are difficult to get by conventional IR source. Compared with the two dimensional IR microspectroscopy, spatial spectral information and sample component distribution can be obtained by three dimensional infrared imaging technique. The information will help us to further understand the microscopic physics and chemistry mechanism. The project aims to develop three dimensional imaging method at IRSR beamline of Shanghai light source. Three dimensional structure and spectral information will be obtained by this method. Further, compressed sensing theory will be applied to the three dimensional imaging data reconstruction. The scanning time will be reduced by this method while the spatial resolution and the quality of imaging are guaranteed. Finally, three dimensional imaging method is applied to the bone tissue cells. The mineralization process will be obtained in normal and osteoporotic osteoblasts, and the component of bone tissue cell will be analyzed by characteristic spectra. The pathogenesis will be explored by imaging characteristics and difference.

同步辐射红外光源相比实验室光源具有高亮度，高准直性，尺寸小等特点，这使得同步辐射红外光谱显微技术可以实现衍射极限的空间分辨，能够在微观领域获得传统光源难以得到的信息。相比于二维谱学显微技术，红外三维成像技术可以得到微小样品内部空间任意一点的光谱信息和样品组分的三维空间分布，有助于更深入的了解微观物理、化学等机理。本项目拟在上海光源红外光束线站上开展三维谱学显微成像方法研究，可以得到样品的三维空间结构和光谱信息；进一步提出了将压缩传感理论应用到数据重构中，在保证空间分辨率及图像质量的前提下，把扫描时间减少几个小时是可行的；最后将该方法应用到骨组织细胞的研究中，研究正常的与骨质疏松的成骨细胞的矿化情况；分析特征光谱，即研究细胞内的酰胺，脂类，核酸等成份；分析、统计、归纳图像特征和差异，探索其发病机制。

同步辐射红外光源相比实验室光源具有高亮度，高准直性，尺寸小等特点，这使得同步辐射红外光谱显微技术可以实现衍射极限的空间分辨，能够在微观领域获得传统光源难以得到的信息。相比于二维谱学显微技术，红外三维成像技术可以得到微小样品内部空间任意一点的光谱信息和样品组分的三维空间分布，有助于更深入的了解微观物理、化学等机理。本项目在上海光源红外光束线站上开展了三维谱学显微成像方法研究，完成了高精度旋转平台的搭建，通过转动微型步进电机旋转不同角度，从而获得多幅不同角度的二维扫描图像；完成了重构软件的编写，选取了FBP算法，OSEM算法，OSPML_Hybrid算法和PML_Hybrid等算法，结合红外谱学显微三维成像技术，可以获得清晰的三维图像；利用设计的高精度旋转平台，测试了小鼠卵细胞的红外显微光谱，利用重构软件可以得到该细胞特定波段的三维红外光谱图，很清楚地看到细胞的内部结构和光谱信息；完成了生物组织，细胞等同步辐射红外光谱和显微成像测试，分析了病变组织与正常组织的组成成分含量和变化，即研究组织内的酰胺，脂类，核酸等成份，分析、统计、归纳图像特征和差异，探索其发病机制。在组织恶变的过程中，蛋白质、脂类、碳水化合物和核酸等构成组织和细胞的主要物质在结构、构象和数量上会发生明显的变化，这些变化在早期并不出现临床症状和医学影像改变。所以，可以利用红外光谱研究这些变化对肿瘤进行早期诊断。