X射線「鬼成像」或能減少輻射劑量

一種開展X射線檢查的新方法或能更加廉價和無害。

圖片來源：DAVID MACK/SCIENCE SOURCE

僅靠自己，單像素相機捕捉的是極其單調的畫面：完全是黑色、白色或者兩者間帶些灰色陰影的方塊。畢竟，它所能做的就是探測亮度。

然而，通過將單像素相機同模式化光源連接，一個來自中國的物理學家團隊利用一種被稱為「鬼成像」的技術產生了詳細的X射線圖像。這種針對紅外和可見光的技術首創於20年前。研究人員表示，該系統的未來版本或能利用廉價相機——無需鏡頭和多像素探測器——拍攝清晰的X射線圖片。同時，和傳統技術相比，其產生的致癌輻射更少。

「我們的系統小巧、廉價很多。它甚至可以是攜帶型的，如果你需要將其帶到野外的話。」中國科學院的一名物理學家Wu Ling-An表示。她和同事在日前出版的《光學設計》雜誌上報告了這一成果。

研究人員開發的上述系統仍無法被用於醫學領域。不過，曾在2015年產生最早一批X射線「鬼像」的Daniele Pelliccia介紹說，和此前的嘗試相比，此次科學家成功地將X射線劑量降為原來的100萬分之一左右。Pelliccia是位於澳大利亞墨爾本附近的光學初創公司——「儀器和數據工具」的物理學家。他利用了被稱為同步加速器、規模和建築物相當的密集X射線源，但Wu團隊利用的是緊湊的台式光源。同時，早期X射線「鬼像」是切成金屬的狹縫的簡單圖片，而中國團隊產生的是蝕刻成金屬板的貝殼和首字母的輪廓。Pelliccia表示，他們讓「圖像看起來像圖像。如果它適用於醫學成像，那麼潛在的回報是巨大的」。

英國格拉斯哥大學物理學家Miles Padgett介紹說，「鬼成像」的關鍵是利用通過帶有已知模式的濾波器的光線照亮物體。在物體的另一面，單像素相機拍攝下畫面——無非是灰色的方塊。為最終獲得圖像，你需要這樣做上千次，每次曝光後都將過濾模型換成另一種。Wu團隊利用了一塊對X射線部分透明的砂紙，並且旋轉它，從而在每次曝光後創建不同的模式。

計算機產生了最終圖像。由於計算機知道每次曝光時利用的過濾模型，因此能計算來自相機捕捉的灰色像素序列差異的圖像。理論上，結果是效果和今天的任何圖像一樣好的X射線圖像，但整個過程無需傳統成像用到的高解析度相機或者密集X射線。

麻省理工學院物理學家Jeffrey Shapiro表示，研究人員已經展示了針對可見光和紅外光線、依賴於可編程濾波器的簡單「鬼成像」系統。當光源將濾波器模型透射到物體和單像素探測器上時，計算機會記錄下模型並將其重置。

利用紅外系統，Padgett團隊證實其能對甲烷氣體泄漏進行「鬼成像」。該團隊的業界合作者——總部位於格拉斯哥的M Squared激光公司正致力於將該系統商業化，並且希望作為一種探測泄漏管道的更廉價方式將其出售給石油和天然氣行業。

Wu表示，研製針對X射線的可編程濾波器是一項更大的挑戰，因為X射線能很輕鬆地穿過大多數材料。由於其團隊藉助的是無法編程的砂紙，因此不得不利用高解析度相機測量模型。Padgett說，但你可以想像一下商業化的X射線系統。在該系統中，生產商會預先「錄製」所有砂紙模型。隨後，只有生產商需要高解析度相機，而單個用戶可以只購買單像素相機並且利用一個指定序列中的砂紙濾波器。

Wu介紹說，為讓「鬼成像」在醫學領域可用，研究人員必須證實，成像所需的全部X射線劑量比常規系統低。一幅「鬼像」需要上千次曝光，X射線會積少成多。此外，成像物體越精細，比如人體，需要的曝光就越多。不過，Wu同時表示，每次曝光的X射線強度可被降到足夠低，從而使「鬼成像」技術可能脫穎而出。

Shapiro認為，做到這一點非常重要。「如果你能減少女性在接受乳腺檢查或者胸部檢查時遭受的X射線曝光量，那麼這將是一件大事。」不過，成像質量仍需要得到改善。「它必須是一幅不錯的圖像。」Shapiro說。

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