CN117957575A - 扩展显微镜中的x射线成像 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种成像方法，所述成像方法包括：将显像剂(515a1、515a2、515a3)附接到物体(500)的部分(720)；在三个维度(3D)上扩展所述物体(500)的所述部分(710)；在进行所述附接和所述扩展之后，基于所述显像剂(515a1、515a2、515a3)与入射在所述物体(500)上的X射线的相互作用而生成所述显像剂(515a1、515a2、515a3)的3D图像(730)。

Description

扩展显微镜中的X射线成像

背景技术

辐射检测器是一种测量辐射性质的装置。性质的示例可以包括辐射的强度、相位和偏振的空间分布。辐射可以是已经与物体相互作用的辐射。例如，由辐射检测器测量的辐射可以是已经穿透物体的辐射。辐射可以是电磁辐射，例如红外光、可见光、紫外光、X射线或γ射线。辐射也可以是其它类型，例如α射线和β射线。成像系统可以包括一个或多个图像传感器，每个图像传感器可以具有一个或多个辐射检测器。

发明内容

本文公开了一种成像方法，所述成像方法包括：将显像剂附接到物体的部分；在三个维度(3D)上扩展所述物体的所述部分；在进行所述附接和所述扩展之后，基于所述显像剂与入射在所述物体上的X射线的相互作用而生成所述显像剂的3D图像。

在一方面，所述扩展是各向同性的。

在一方面，在进行所述附接之前，进行所述扩展。

在一方面，在进行所述附接之后，进行所述扩展。

在一方面，所述显像剂包括原子序数为23或更高的元素。

在一方面，所述扩展所述物体的所述部分包括：将化学连接子锚定在所述物体中；形成与所述化学连接子结合的聚合物网络；以及通过扩展所述聚合物网络来扩展所述部分。

在一方面，所述扩展所述物体的所述部分包括：将可膨胀材料引入所述物体；通过使所述可膨胀材料膨胀来扩展所述部分。

在一方面，所述生成所述显像剂的所述3D图像包括：基于所述相互作用拍摄所述显像剂的多个二维(2D)图像；以及使用计算机断层摄影由所述多个2D图像生成所述显像剂的所述3D图像。

在一方面，所述相互作用是由入射到所述物体上的所述X射线导致的所述显像剂的特征X射线的发射。

在一方面，所述相互作用是通过所述显像剂对入射到所述物体上的所述X射线的衰减。

在一方面，所述拍摄所述多个2D图像包括围绕所述物体旋转辐射源和辐射检测器，使得所述显像剂被设置在所述辐射源与所述辐射检测器之间。

附图说明

图1示意性地示出了根据实施例的辐射检测器。

图2示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的简化剖视图。

图3示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的详细剖视图。

图4示意性地示出了根据可替换实施例的辐射检测器的详细剖视图。

图5A至图5B示意性地示出了根据实施例的通过扩展显微镜处理的物体的透视图。

图6A至图6B示意性地示出了根据实施例的对扩展显微镜处理的结果进行操作的成像设备的透视图。

图7是概括图5A至图6B中描述的处理的流程图。

具体实施方式

辐射检测器

作为示例，图1示意性地示出了辐射检测器100。辐射检测器100可以包括像素150(也称为感测元件150)的阵列。该阵列可以是矩形阵列(如图1所示)、蜂窝阵列、六边形阵列或任何其它合适的阵列。图1的示例中的像素150的阵列具有4行7列；然而，通常，像素150的阵列可以具有任意数量的行和任意数量的列。

每个像素150可以被配置为检测从辐射源(未示出)入射在其上的辐射，并且可以被配置为测量辐射的特性(例如，粒子的能量、波长和频率)。辐射可以包括粒子，例如光子和亚原子粒子。每个像素150可以被配置为在一段时间内对入射在其上的能量落在多个能量区间中的辐射粒子的数量进行计数。所有像素150可以被配置为在同一段时间内对多个能量区间内的入射在其上的辐射粒子的数量进行计数。当入射辐射粒子具有相似能量时，像素150可以简单地被配置为在一段时间内对入射在其上的辐射粒子的数量进行计数，而不测量各个辐射粒子的能量。

每个像素150可以具有其自己的模数转换器(ADC)，其被配置为将表示入射辐射粒子的能量的模拟信号数字化为数字信号，或者将表示多个入射辐射粒子的总能量的模拟信号数字化成数字信号。

由辐射检测器100的所有像素150获得的数字信号表示由像素150测量的入射辐射的特征(例如，入射辐射的粒子能量、波长和频率)的2D(二维)分布。该2D分布可以被认为是辐射检测器100的视场中的物体(或场景)的2D图像。结果是，2D图像不限于肉眼可见的东西。

在计算机断层摄影中，可以由已测量的特征的多个2D分布生成已测量的特征的3D(3维)分布。该3D分布可以被认为是辐射检测器100的视场中的物体(或场景)的3D图像。结果是，3D图像不限于肉眼可见的东西。

像素150可以被配置为并行操作。例如，当一个像素150测量入射辐射粒子时，另一个像素150可以正在等待辐射粒子到达。像素150可以不必是可单独寻址的。

这里描述的辐射检测器100可以应用于例如X射线望远镜、X射线乳房照相、工业X射线特征检测、X射线显微镜或微射线照相、X射线铸造检查、X射线无损测试、X射线焊缝检查、X射线数字减影血管造影等。使用该辐射检测器100代替照相底板、照相胶片、光激励荧光板(PSP plate)、X射线图像增强器、闪烁体或其它半导体X射线检测器也可能是合适的。

图2示意性地示出了根据实施例的图1的辐射检测器100沿着线2-2的简化剖视图。具体地，辐射检测器100可以包括辐射吸收层110和用于处理或分析入射的辐射在辐射吸收层110中产生的电信号的电子器件层120(可以包括一个或多个ASIC或专用集成电路)。辐射检测器100可以包括或不包括闪烁体(未示出)。辐射吸收层110可以包含半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。该半导体材料可以对关注的辐射具有高质量衰减系数。

图3示意性地示出了作为示例的图1的辐射检测器100沿着线2-2的详细剖视图。具体地，辐射吸收层110可以包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可以通过可选的本征区112与第一掺杂区111分离。离散区114可以通过第一掺杂区111或本征区112彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113可以具有相反类型的掺杂(例如，区域111是p型，区域113是n型，或者，区域111是n型，区域113是p型)。在图3的示例中，第二掺杂区113的每个离散区114与第一掺杂区111和可选的本征区112形成二极管。即，在图3的示例中，辐射吸收层110具有多个二极管(更具体地，7个二极管对应于图1的阵列中一行的7个像素150，为了简单起见，图3中仅标记了其中的两个像素150)。多个二极管可以具有作为共用(公共)电极的电触点119A。第一掺杂区111也可以具有多个离散部分。

电子器件层120可以包括适合于处理或解释由入射在辐射吸收层110上的辐射产生的信号的电子系统121。电子系统121可以包括诸如滤波器网络、放大器、积分器和比较器之类的模拟电路，或者诸如微处理器和存储器之类的数字电路。电子系统121可以包括一个或多个ADC(模数转换器)。电子系统121可以包括由像素150共用的部件或专用于单个像素150的部件。例如，电子系统121可以包括专用于每个像素150的放大器和在所有像素150之间共用的微处理器。电子系统121可以通过通孔131电连接到像素150。通孔之间的空间可以使用填充材料130填充，这可以增加电子器件层120与辐射吸收层110的连接的机械稳定性。其它接合技术可以在不使用通孔131的情况下将电子系统121连接到像素150。

当来自辐射源(未示出)的辐射撞击包括二极管的辐射吸收层110时，辐射粒子可被吸收并通过多种机制产生一个或多个电荷载流子(例如，电子、空穴)。电荷载流子可以在电场下漂移到其中一个二极管的电极。该电场可以是外部电场。电触点119B可以包括多个离散部分，每个离散部分与离散区114电接触。术语“电触点”可以与词“电极”互换使用。在一个实施例中，电荷载流子可以在多个方向上漂移，并使得由单个辐射粒子产生的电荷载流子基本上不被两个不同的离散区114共用(这里“基本上不被......共用”意指相比于这些电荷载流子的其他部分，这些电荷载流子中的小于2％，小于0.5％，小于0.1％或小于0.01％的电荷载流子流向一个不同的离散区114)。由入射在这些离散区114中的一个离散区114的占用空间(footprint)的周围的辐射粒子产生的电荷载流子基本上不与这些离散区114中的另一个离散区114共用。与离散区114相关联的像素150可以是该离散区114周围的区域，在该区域中，由入射到其中的辐射粒子产生的基本上全部(大于98％，大于99.5％，大于99.9％，或大于99.99％)的电荷载流子流向该离散区114。即，这些电荷载流子中的小于2％、小于1％、小于0.1％或小于0.01％的电荷载流子流出该像素150。

图4示意性地示出了根据可替换实施例的图1的辐射检测器100沿着线2-2的详细剖视图。更具体地，辐射吸收层110可以包含诸如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合之类的半导体材料的电阻器，但不包括二极管。该半导体材料可以对关注的辐射具有高质量衰减系数。在一个实施例中，图4的电子器件层120在结构和功能方面类似于图3的电子器件层120。

当辐射撞击包括电阻器而不包括二极管的辐射吸收层110时，它可以被吸收并通过多种机制产生一个或多个电荷载流子。辐射粒子可以产生10至100,000个电荷载流子。电荷载流子可以在电场下漂移到电触点119A和119B。该电场可以是外部电场。电触点119B可以包括多个离散部分。在一个实施例中，电荷载流子可以在多个方向上漂移，并使得由单个辐射粒子产生的电荷载流子基本上不被电触点119B的两个不同的离散部分共用(这里“基本上不被......共用”意指相比于这些电荷载流子的其余部分，这些电荷载流子中的小于2％，小于0.5％，小于0.1％或小于0.01％的电荷载流子流向一个不同的离散部分)。由入射在电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的占用空间的周围的辐射粒子产生的电荷载流子基本上不与电触点119B的这些离散部分中的另一个离散部分共用。与电触点119B的一个离散部分相关联的像素150可以是该离散部分周围的区域，在该区域中，由入射到其中的辐射粒子产生的基本上全部(大于98％，大于99.5％，大于99.9％，或大于99.99％)的电荷载流子流向电触点119B的该离散部分。即，这些电荷载流子中的小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％的电荷载流子流出与电触点119B的该一个离散部分相关联的像素。

扩展显微镜处理

图5A至图5B示意性地示出了通过扩展显微镜处理的物体500的透视图。为了说明，假定物体500具有如图所示的立方体形状。

在一个实施例中，物体500可以是诸如细胞、内部器官、静脉等生物样本。结果是，物体500包括生物分子。

将化学连接子锚定在物体中

在实施例中，参照图5A，扩展显微镜处理可以开始于将化学连接子(图5A中的三角形)锚定在物体500中。为了说明，假定8个化学连接子锚定在物体500中，并且这8个化学连接子被锚定在物体500的8个顶点(角)处。为简单起见，仅示出和标记了8个化学连接子中的3个(即，化学连接子513c1、513c2和513c3)。

在物体500是生物样本的情况下，化学连接子可以包括与物体500的生物分子结合的化合物。

聚合物网络

接下来，在一个实施例中，可以在物体500周围形成聚合物网络(为简单起见，未在图5A中示出)，使得该聚合物网络与8个化学连接子结合。换句话说，物体500经由8个化学连接子钩到聚合物网络上。

具体地，在一个实施例中，聚合物网络可以通过首先将图5A的物体500浸泡在单体(例如，丙烯酸钠)溶液中来形成。结果是，单体自组装成聚合物链。当增长的聚合物链遇到化学连接子时，在化学连接子与聚合物链之间形成共价键。在一个实施例中，聚合物链使用交联剂交联，从而得到聚合物网络。在一个实施例中，通过同时向物体500注入丙烯酸钠和交联剂两者而同时形成聚合物链和交联，从而得到聚合物网络。

在一个实施例中，扩展物体的各部分涉及将可膨胀材料引入到物体中并使得该可膨胀材料膨胀。显像剂可以是膨胀材料的一部分。

削弱物体中的键

接下来，在一个实施例中，可以削弱将物体500保持在一起的键。如果物体500是生物样本，则可以使用去污剂、酶和/或热来削弱物体500的生物分子。

扩展

接下来，在一个实施例中，可以扩展聚合物网络，从而将8个化学连接子在3D上各向同性地(即，在所有三个维度上均匀地)拉开。为简单起见，作为通过扩展聚合物网络而将8个化学连接子拉开的结果，假定物体500沿虚线514(图5A)被撕开，则得到如图5B所示的8个分开的部分。实际上，物体500的这8个部分在3D上(即，在所有三个维度上)各向同性地彼此间隔得更远。换句话说，物体500的8个部分在3D上被各向同性地扩展(即，在所有三个维度上均匀地扩展)。

在一个实施例中，可以通过向聚合物网络中添加水来扩展聚合物网络，从而得到图5B的已扩展的聚合物网络520。

将显像剂附接到各部分

在一个实施例中，参照图5B，可以将显像剂(实心圆圈)附接到物体500的8个部分。为简单起见，仅示出和标记了3个显像剂(即，显像剂515a1、515a2、和515a3)，其他显像剂被示出但未标记，还有其他显像剂未被示出和标记。或者，可以在任何化学连接子被锚定到物体之前或在扩展物体的各部分之前将显像剂附接到这些部分。

显像剂的X射线成像

第一2D图像拍摄

接下来，在一个实施例中，参照图6A，8个部分和附接的显像剂连同图5B的扩展的聚合物网络520可以被置于用于成像的成像设备100+630中。在一个实施例中，成像设备100+630可以包括辐射检测器100和辐射源630。

在一个实施例中，可以按如下进行第一2D图像拍摄。在一个实施例中，辐射源630可以生成朝向显像剂和辐射检测器100的辐射束632a。

在一个实施例中，每个显像剂可以包括使X射线衰减的元素。结果是，显像剂可以用用于成像的X射线成像。在一个实施例中，辐射束632a可以是X射线束。因此，使用已经与显像剂相互作用的辐射束632a的辐射，辐射检测器100可以拍摄显像剂的第一2D图像。

第二2D图像拍摄

在一个实施例中，在辐射检测器100拍摄显像剂的第一2D图像之后，辐射检测器100和辐射源630可以围绕显像剂旋转，从而得到如图6B所示的成像设备100+630的另一种布置。

在一个实施例中，参照图6B，可以按如下进行第二2D图像拍摄。在一个实施例中，当成像设备100+630被布置为如图6B所示时，辐射源630可以生成朝向显像剂和辐射检测器100的辐射束632b。在一个实施例中，辐射束632b可以是X射线束。结果是，在显像剂能够借助用于成像的X射线而进行成像的情况下，使用已经与显像剂相互作用的辐射束632b的辐射，辐射检测器100可以拍摄显像剂的第二2D图像。

显像剂的3D图像

接下来，在一个实施例中，在辐射检测器100拍摄第二2D图像之后，可以由第一和第二2D图像生成显像剂的3D图像。在一个实施例中，可以使用计算机断层摄影由第一和第二2D图像生成显像剂的3D图像。在一个实施例中，由第一和第二2D图像生成3D图像可以通过辐射检测器100来进行。

因为第一和第二2D图像是使用用于成像的X射线拍摄的(即，由辐射检测器100拍摄的入射辐射是X射线)，所以，由第一和第二2D图像生成3D图像也被认为是使用用于成像的X射线而进行的。

请注意，因为物体500的各部分在3D上(即，在所有三个维度上)各向同性地扩展，所以显像剂的3D图像也是物体500被撕开之前物体500的3D图像。

用于概括的流程图

图7示出了概括上面在图5A至图6B中描述的X射线成像处理和扩展显微镜处理的流程图700。具体地，在步骤710中，在3D上扩展物体的各部分。例如，在上述实施例中，当扩展聚合物网络用化学连接子(例如，化学连接子513c1、513c2和513c3)在3D上拉开这些部分时，物体500的8个部分在3D上扩展。

在步骤720中，将显像剂附接到物体的各部分。例如，在上述实施例中，显像剂(例如，图5B的显像剂515a1、515a2和515a3)被附接到物体500的8个部分。

另外，在步骤720中，显像剂能够借助用于成像的X射线进行成像。例如，在上述实施例中，显像剂包括吸收X射线的金属；因此，显像剂能够借助用于成像的X射线进行成像。

在步骤730中，在进行所述附接和所述扩展之后，基于显像剂与入射在物体上的X射线的相互作用，使用用于成像的X射线生成显像剂的3D图像。例如，在上述实施例中，显像剂(例如，显像剂515a1、513a2和513a3)的3D图像由第一和第二2D图像生成，该第一和第二2D图像是由辐射检测器100使用用于成像的来自辐射源630的X射线拍摄的。

附加实施例

显像剂中的重金属

在一个实施例中，显像剂中的元素可以具有23或更高的原子序数(例如，重金属)。例如，铜、金、银和铂是可以用于显像剂的重金属。

微计算机断层摄影

在一个实施例中，辐射检测器100具有1微米的空间分辨率或更高的空间分辨率(例如，0.6微米的空间分辨率)。

可替换的实施例

用于成像的来自显像剂的特征X射线

在上述实施例中，来自辐射束632a和632b的X射线分别被用于拍摄显像剂的第一和第二2D图像。或者，来自显像剂的特征X射线可用于拍摄显像剂的第一和第二2D图像。

具体地，在一个实施例中，当用高能粒子(例如质子、中子或离子)或波长短于X射线波长的辐射(例如，伽马射线)轰击显像剂时，显像剂可以生成特征X射线。

另外，在一个实施例中，辐射束532a和532b可以足够强以使得显像剂产生特征X射线。另外，在一个实施例中，辐射检测器100可以被配置为忽略辐射束532a和532b的入射辐射。换句话说，辐射检测器100使用来自显像剂的入射特征X射线并忽略来自辐射束632a和632b的入射辐射来拍摄显像剂的第一和第二2D图像。

在一个实施例中，来自辐射源630的辐射束632a和632b具有与来自显像剂的特征X射线不同的波长，使得辐射检测器100能够选择性地接收和处理来自显像剂的入射特征X射线并忽略来自辐射源630的辐射束632a和632b的入射辐射。

扩展前附接

在上述实施例中，参照图5A至图6B，8个部分在显像剂被附接到这些部分之前被各向同性地扩展。或者，在所有其他条件相同的情况下，在各部分被各向同性地扩展之前，可以将显像剂附接到这些部分。例如，当单体正在被引入物体500的同时，显像剂可以被附接到这些部分。

作为化学连接子的显像剂

在上述实施例中，化学连接子(例如，化学连接子513c1、513c2和513c3)将各部分连接到聚合物网络。或者，在所有其他条件相同的情况下，显像剂可以将各部分连接到聚合物网络。

具体地，在一个实施例中，扩展显微镜处理可以为如下。首先，可以将显像剂附接到图5A的物体500。接下来，在一个实施例中，可以产生与显像剂结合的聚合物网络。或者，可以在正在产生聚合物网络的同时，将显像剂附接到物体500。

接下来，在一个实施例中，可以削弱或甚至断开将物体500保持在一起的键。

接下来，在一个实施例中，可以在3D上扩展聚合物网络，从而在3D上各向同性地扩展显像剂。接下来，在一个实施例中，在所述扩展发生后，可以生成使用用于成像的X射线的显像剂的3D图像。

尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施例是出于说明的目的而不是限制性的，真正的范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (11)

1.一种成像方法，包括：

将显像剂附接到物体的部分；

在三个维度(3D)上扩展所述物体的所述部分；以及

在进行所述附接和所述扩展之后，基于所述显像剂与入射在所述物体上的X射线的相互作用而生成所述显像剂的3D图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扩展是各向同性的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在进行所述附接之前，进行所述扩展。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在进行所述附接之后，进行所述扩展。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述显像剂包括原子序数为23或更高的元素。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扩展所述物体的所述部分包括：

将化学连接子锚定在所述物体中；

形成与所述化学连接子结合的聚合物网络；

通过扩展所述聚合物网络来扩展所述部分。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扩展所述物体的所述部分包括：

将可膨胀材料引入所述物体；

通过使所述可膨胀材料膨胀来扩展所述部分。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成所述显像剂的所述3D图像包括：

基于所述相互作用拍摄所述显像剂的多个二维(2D)图像；以及

使用计算机断层摄影由所述多个2D图像生成所述显像剂的所述3D图像。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述相互作用是由入射到所述物体上的所述X射线导致的所述显像剂的特征X射线的发射。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述相互作用是通过所述显像剂对入射到所述物体上的所述X射线的衰减。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述拍摄所述多个2D图像包括围绕所述物体旋转辐射源和辐射检测器，使得所述显像剂被设置在所述辐射源与所述辐射检测器之间。