X射线“鬼成像”或能减少辐射剂量 可用于探测管道泄漏和医学成像

一种开展X射线检查的新方法或能更加廉价和无害

图片来源：DAVID MACK/SCIENCE SOURCE

 

仅靠自己，单像素相机捕捉的是极其单调的画面：完全是黑色、白色或者两者间带些灰色阴影的方块。毕竟，它所能做的就是探测亮度。

 

然而，通过将单像素相机同模式化光源连接，一个来自中国的物理学家团队利用一种被称为“鬼成像”的技术产生了详细的X射线图像。这种针对红外和可见光的技术首创于20年前。研究人员表示，该系统的未来版本或能利用廉价相机——无需镜头和多像素探测器——拍摄清晰的X射线图片。同时，和传统技术相比，其产生的致癌辐射更少。

 

“我们的系统小巧、廉价很多。它甚至可以是便携式的，如果你需要将其带到野外的话。”中国科学院的一名物理学家Wu Ling-An表示。她和同事在日前出版的《光学设计》杂志上报告了这一成果。

 

研究人员开发的上述系统仍无法被用于医学领域。不过，曾在2015年产生最早一批X射线“鬼像”的Daniele Pelliccia介绍说，和此前的尝试相比，此次科学家成功地将X射线剂量降为原来的100万分之一左右。Pelliccia是位于澳大利亚墨尔本附近的光学初创公司——“仪器和数据工具”的物理学家。他利用了被称为同步加速器、规模和建筑物相当的密集X射线源，但Wu团队利用的是紧凑的台式光源。同时，早期X射线“鬼像”是切成金属的狭缝的简单图片，而中国团队产生的是蚀刻成金属板的贝壳和首字母的轮廓。Pelliccia表示，他们让“图像看起来像图像。如果它适用于医学成像，那么潜在的回报是巨大的”。

 

英国格拉斯哥大学物理学家Miles Padgett介绍说，“鬼成像”的关键是利用通过带有已知模式的滤波器的光线照亮物体。在物体的另一面，单像素相机拍摄下画面——无非是灰色的方块。为最终获得图像，你需要这样做上千次，每次曝光后都将过滤模型换成另一种。Wu团队利用了一块对X射线部分透明的砂纸，并且旋转它，从而在每次曝光后创建不同的模式。

 

计算机产生了最终图像。由于计算机知道每次曝光时利用的过滤模型，因此能计算来自相机捕捉的灰色像素序列差异的图像。理论上，结果是效果和今天的任何图像一样好的X射线图像，但整个过程无需传统成像用到的高分辨率相机或者密集X射线。

 

麻省理工学院物理学家Jeffrey Shapiro表示，研究人员已经展示了针对可见光和红外光线、依赖于可编程滤波器的简单“鬼成像”系统。当光源将滤波器模型透射到物体和单像素探测器上时，计算机会记录下模型并将其重置。

 

利用红外系统，Padgett团队证实其能对甲烷气体泄漏进行“鬼成像”。该团队的业界合作者——总部位于格拉斯哥的M Squared激光公司正致力于将该系统商业化，并且希望作为一种探测泄漏管道的更廉价方式将其出售给石油和天然气行业。

 

Wu表示，研制针对X射线的可编程滤波器是一项更大的挑战，因为X射线能很轻松地穿过大多数材料。由于其团队借助的是无法编程的砂纸，因此不得不利用高分辨率相机测量模型。Padgett说，但你可以想象一下商业化的X射线系统。在该系统中，生产商会预先“录制”所有砂纸模型。随后，只有生产商需要高分辨率相机，而单个用户可以只购买单像素相机并且利用一个指定序列中的砂纸滤波器。

 

Wu介绍说，为让“鬼成像”在医学领域可用，研究人员必须证实，成像所需的全部X射线剂量比常规系统低。一幅“鬼像”需要上千次曝光，X射线会积少成多。此外，成像物体越精细，比如人体，需要的曝光就越多。不过，Wu同时表示，每次曝光的X射线强度可被降到足够低，从而使“鬼成像”技术可能脱颖而出。

 

Shapiro认为，做到这一点非常重要。“如果你能减少女性在接受乳腺检查或者胸部检查时遭受的X射线曝光量，那么这将是一件大事。”不过，成像质量仍需要得到改善。“它必须是一幅不错的图像。”Shapiro说。