X射線成像作為一種有效的診斷方法被廣泛應(yīng)用于人類社會(huì)生活和科學(xué)研究的方方面面。從普通便攜式X射線管到實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面激光等離子體X射線源，再到大型同步輻射以及自由電子激光，現(xiàn)如今人們已經(jīng)可以將X射線的脈寬、源尺寸、亮度等參數(shù)提升到一個(gè)前所未有的高度。但是，現(xiàn)有的成像方式如透視成像和相襯成像等，其本質(zhì)都是通過累計(jì)光子信號(hào)以達(dá)到一定的圖像襯度，因此高劑量導(dǎo)致的輻射傷害始終不可避免，在人體影像學(xué)上甚至有誘發(fā)癌變的風(fēng)險(xiǎn)。因此一直以來人們都在致力于尋找降低使用X射線過程中輻射劑量的方法，但是成像質(zhì)量和輻射損傷的瓶頸始終無法突破。而“鬼”成像由于其獨(dú)特的成像特性，很早就實(shí)現(xiàn)了可見光波段的弱光成像，帶來了實(shí)現(xiàn)超低輻射的X射線成像的可能

鬼成像最早稱為量子關(guān)聯(lián)成像，也稱為單像素相機(jī)成像。作為一種間接成像的方式，通過分束測定或預(yù)設(shè)置照射在物體上的光場分布，將其與經(jīng)過物體的投射（或反射）總光強(qiáng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)運(yùn)算便可復(fù)原物體的圖像。在計(jì)算鬼成像中，用空間調(diào)制的光照射物體，只需要一個(gè)沒有空間分辨的單像素探測器（即“桶”探測器）測量物光的一系列光強(qiáng)度值即可得到圖像信號(hào)。這樣不僅可以大大降低對(duì)探測器的要求，而且避免光能量分配在面陣式CCD的每個(gè)像素上，從而提高物光信號(hào)的強(qiáng)度，降低散粒噪聲的影響，提高信噪比。成像原理上的不同使得鬼成像的方法比起傳統(tǒng)成像而言不僅可以實(shí)現(xiàn)超分辨率的成像，還可實(shí)現(xiàn)極弱光照下的成像?？梢姟⒔t外光波段的鬼成像可以通過分光的方式測量照射在物體平面的光場分布，或者用空間光調(diào)制器制造可控的散斑場。但是在X射線波段沒有合適的分束器件或功能類似于空間光調(diào)制器的器件，所以一直以來X射線鬼成像(XGI)難以實(shí)現(xiàn)。在原理上，如果采用傳統(tǒng)的基于衍射的X光分光，則需要超強(qiáng)的X射線源及超穩(wěn)定的平臺(tái)，而基于相位調(diào)制的XGI對(duì)于源的相干性提出了較高的要求。目前已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上都是基于大型同步加速器輻射源對(duì)簡單的一維物體進(jìn)行長時(shí)間測量，且成像效果較差。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實(shí)驗(yàn)室長期從事量子成像的研究員吳令安與長期研究X射線成像的研究員陳黎明合作，分別指導(dǎo)博士生張艾昕、何雨航，在國際上首次利用便攜式X射線源實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維物體和真實(shí)生物體的超低劑量XGI。他們利用砂紙上隨機(jī)分布的碳化硅顆粒對(duì)X射線光場進(jìn)行振幅調(diào)制，預(yù)先記錄物體平面的一套清晰的散斑圖；采集物光時(shí)，降低每次采樣的時(shí)間將X射線強(qiáng)度衰減到單光子量級(jí)，CCD的面積分作為桶探測器記錄下總光強(qiáng)，最后通過關(guān)聯(lián)運(yùn)算成功還原出物體的像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：和傳統(tǒng)透射成像方式相比，在弱光的情況下利用鬼成像的方式可以獲得比傳統(tǒng)透視成像更高的襯噪比；在獲得相同襯噪比的情況下，利用鬼成像的方法可以大幅降低成像過程中的輻射劑量。該工作首次在實(shí)驗(yàn)上用一種簡單的方式驗(yàn)證了超低輻射XGI的可行性，為后續(xù)的三維X射線鬼成像以及生物醫(yī)療上的實(shí)用化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局圖（a）利用CCD1預(yù)記錄參考散斑場（b）利用CCD2記錄透過物體剩余的光強(qiáng)值；物體和CCD1處于同一平面（c）直通X射線的強(qiáng)度分布

圖2 物體和圖像 （a）“CAS”物體實(shí)拍圖（b）利用鬼成像采樣10000張重構(gòu)出的“CAS”圖像（c）貝殼實(shí)拍圖（d）利用直接透射成像CCD1曝光10s得到的貝殼圖像（e）利用鬼成像采樣10000張重構(gòu)出的貝殼圖像