基于上海光源的软物质物理和生物医学应用成像研究

Under a close cooperation with Shanghai Synchrotron Radiation Facility, this research project focuses on the development and optimization of grating-based synchrotron X-ray phase-contrast imaging and ultrafast X-ray tomography, in addition to their applications onto the researches of soft matter physics and biomedical imaging. For soft matter physics, we will carry out an in-depth research on the rheology, jamming phase transition and failure of amorphous solid of various soft matter systems, including granular materials, foams, emulsion and colloids. We will emphasize on the study of particle-level structure and dynamics in order for the microscopic mechanism for the constitutive relations of soft matter fluids and solids. Researches will also be carried out in search of the mechanisms of glass transition and jamming phase transition, and of plastic deformation of amorphous solids composed of soft matter. For biomedical imaging, we will work closely with clinical doctors to optimize imaging technology, to provide a methodological support to the imaging of biomedical soft tissues, and to develop new clinical diagnostic techniques. In order to obtain necessary high temporal and density resolution for above experimental purpose, we should develop high-speed tomography and grating-based imaging technology. Phase retrieval algorithm and CT reconstruction algorithm based on GPU or multithreading CPU should also be developed in cope with the massive data.

本课题组将与上海光源密切合作，发展并优化基于同步辐射的X射线光栅相衬成像技术及X射线高速CT技术，着重于将其应用于软物质物理及生物医学影像研究。在软物质物理应用上，我们将深入研究包括颗粒物质、泡沫、乳胶和胶体在内的软物质体系的流变学、阻塞相变及非晶材料失效等科学问题。着重通过微观结构及微观动力学的研究，为软物质体系宏观流体及固体的本构方程的建立提供微观物理机制；研究玻璃化转变及阻塞相变机理；同时研究软物质体系形成的非晶固体的塑形形变的机理。在生物医学影像应用上，与临床医学密切合作，优化成像技术为生物软组织及血管成像提供方法学上的支持,并为临床医学诊断技术奠定基础。为了获得上述实验目的所需的高时间分辨率与高密度分辨率，需要发展光栅成像技术及高速CT技术；在数据处理过程中则需要发展相位恢复算法以及基于GPU和多线程CPU的三维CT重构算法以快速处理海量数据。

作为软物质中的重要一类，颗粒物质的研究已经从过去的单纯应用研究走到了基础物理研究的前列。2005年Science杂志列举的125个还未解决的重大科学问题中有两个与颗粒物质有关，包括了颗粒流的流变特性的流体力学描述和玻璃化转变的机理两个问题。课题组主要依托上海光源与BL13W1 成像线站开展合作研究，利用同步辐射成像技术的穿透性和快速三维成像能力，对颗粒物质的结构、动力学、相变行为进行了系统研究。取得的重要结果包括：（a）在颗粒体系中发现了导致动力学变慢的四面体结构序，有望对长期争论的非晶玻璃化转变是否是一种结构相变提供关键证据；（b）利用颗粒体系研究了硬球玻璃体系中普遍存在的密度与微观平均原子间距间非三次方幂律，发现其与硬球玻璃体系一般处在阻塞相变点而具有“临界”固体性质有关；（c）对循环剪切下的颗粒非晶固体的动力学进行了研究，揭示了传统意义上的颗粒“固体”实际上是一种处在液固相边界的临界固体。上述工作分布发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志、《物理评论快报》（Physical Review Letter）和《自然》（Nature）杂志。与此同时，在同步辐射X射线成像技术方面也取得一定进展。包括（e）搭建了适用于同步辐射动态CT成像技术的原位三轴仪装置，并发展了适用于颗粒物质研究的一整套CT重构及图像后处理算法；（f）发展了基于GPU的光栅相衬成像的相位恢复和CT重建算法；以及一些相关的生物医学影像应用。