东方科技论坛第52次学术研讨会_中国科技论坛审稿时间

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东方科技论坛第52次学术研讨会

同步辐射成像新方法及其应用

会议执行主席：徐洪杰

东方科技论坛第52次学术研讨会于2004年12月18－19日在上海沪杏科技图书馆举行。本次论坛由中国科学院上海应用物理研究所承办，论坛主题为“同步辐射成像新方法及其应用”。中国科学院上海应用物理研究所所长、上海光源总经理徐洪杰研究员和日本高能加速器研究机构物质结构科学研究所安藤正海教授共同主持了本次会议。

一、会议背景

同步辐射装置能够提供从X射线到远红外波段的高亮度光束，具有非常广泛的用途。自1990年以来，国际上已先后建成了十多台高亮度的第三代同步辐射光源，我国也即将在上海建造先进的第三代同步辐射装置—上海光源。高亮度的第三代同步辐射光源的不断问世大大推动了同步辐射方法在众多前沿领域研究中得的应用。其中的重要进展之一就是极大地提高了同步辐射成像特别是同步辐射X射线成像的能力，发展了许多基于同步辐射光源的新成像方法，在生命科学、材料科学、环境科学等基础研究领域以及医学和工业应用等领域都展示了巨大的应用前景。

由于第三代同步辐射光源具有良好的相干性及很高的相干通量，使得许多以前无法完成的成像实验得以实现，其中最引人注目的是利用X光的相位信息进行成像。最近几年，研究人员在不断发展同步辐射X射线相衬成像技术的同时也不断拓展了它的应用领域，已经取得重要研究成果的领域包括：在医疗上用来诊断微小的早期肿瘤、不需造影剂的心血管造影等，拍摄活体生物、古化石等样品的高分辨内部结构，检测工业材料内部的强度变化等，利用高速的X射线相衬成像拍摄电镀过程，揭示了镀层缺陷的可能成因等。

在高亮度同步辐射光源上还实现了高空间分辨与高分辨光谱分析的结合，产生了诸如X射线吸收光谱成像、VUV光电子显微成像和红外光谱学成像等分析技术，可以得到功能反衬、化学成分反衬等更多的信息，在材料科学、生物学和环境科学等领域中具有广泛的应用。利用同步辐射光高通量和能量可选择的优点，可将传统的吸收衬度成像技术及其应用提高到新的水平，例如：微米级分辨的X射线显微CT、吸收边减影成像、冠状动脉造影、乳房照相术、支气管和肺泡的功能和解剖学成像等。此外，在成像方法原理与图像重构处理技术方面的新进展，也使得常规的成像（包括基于X光机的成像方法）分辨率有所提高，应用范围更为广泛。

在过去的十几年间，同步辐射成像技术和应用取得了长足的发展，随着新的高性能同步辐射光源的涌现，可以预见，同步辐射成像技术和应用仍然将不断取得进展。随着上海光源的建设，我国在这一领域的研究可望得到迅速发展。适时就这一领域的研究状况、存在的问题与发展方向进行多方位研讨是十分必要的。

二、会议简况

东方科技论坛理事会副理事长、中科院上海分院院长沈文庆院士出席了本次研讨会并在开幕式上致词。沈文庆院士在讲话中指出，第三代同步辐射装置是开展多学科研究的先进综

合性平台，即将在上海建造的国家重大科学工程——上海光源装置为我国同步辐射应用研究发展提供了很好的机遇。未来如何充分发挥上海光源装置这个大科学平台的作用，需要各个领域的专家与科研人员以及相关部门来共同关心与支持。

参加本次研讨会的代表有来自日本高能加速器研究机构物质结构科学研究所、日本佐贺大学、台湾中央研究院物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院所上海光学精密机械研究所、上海中山医院、复旦大学、上海交通大学、上海长征医院、上海同济大学、中科院长春光学精密机械研究所、中国科学技术大学和中科院上海应用物理研究所等国家和地区的40余位专家、学者。会上共有14位专家先后就同步辐射X射线成像、生物医学成像等相关领域的研究进展和发展趋势作了精彩的专题报告。同时围绕论坛主题展开了热烈地讨论，学术气氛浓厚。

三、会议内容

日本高能加速器研究机构物质结构科学研究所安藤正海教授作了题为“医学成像进展及迈向医学临床诊断应用的暗场成像研究进展”的报告。他首先介绍了世界上同步辐射在生物医学中的应用，并着重介绍了暗场成像的原理和在日本PF上利用暗场成像技术首次进行大视场人体成像的实验结果，得到了视场为90×90mm2的人体关节处软骨组织的相衬像，而传统的吸收成像无法对软骨组织成像，因此这种方法有可能应用于临床诊断。

日本高能加速器研究机构物质结构科学研究所兵藤一行博士作了题为“Angiography using synchrotron monochromatic X—rays at the PF—AR”的报告。报告介绍了心血管造影成像的发展历史和日本PF光源上的心血管造影成像光束线站的布局。在日本PF光源上已经进行了数十例人体心血管造影成像研究，显示了这种技术已经趋于成熟化，可以应用于临床研究。兵藤博士还介绍了他们小组最新的二维实时心血管造影成像的进展。他们利用一块晶体将垂直方向的光进行扩束，得到了二维的大光斑尺寸，然后用X射线CCD或其它探测器进行实时接收。最后还介绍了日本PF下一步准备采用双多极扭摆器技术开展医学成像的计划。

日本东北大学名誉教授、佐贺大学渡边诚教授作了题为“Schwarzschild软X射线显微术”的报告。报告介绍了在软X射线波段的多层反射膜的研究进展、日本东北大学的Schwarzschild 软X射线显微镜装置和相关研究成果等情况。相比于一般的显微镜，Schwarzschild 软X射线显微镜的数值孔径可以做的比较大。据介绍该装置放大倍数达到了50，数值孔径为0.25，探测器的象素大小为50微米，利用该仪器对多种材料如SiO2/W的梳状结构等进行了成像，该报告引起了与会专家的高度兴趣。

中国台湾中央研究院物理研究所胡宇光教授作了题为“实时微米及纳米成像术”的报告。他的研究小组在韩国同步辐射光源上进行了实时显微透照术和三维成像技术并取了最新结果，同时展示了精彩的三维演示动画。他的小组利用同步辐射光束线站对活的小鼠的肝等器官进行了无造影剂血管成像，获得了清晰的相衬像，该研究结果揭示了利用同步辐射进行无造影剂血管成像的可行性，显示了利用同步辐射光源进行医学成像及诊断的美好前景。利用CT技术对小鼠的肝进行了3维断层成像。据介绍PEEM技术获得了非常高的分辨率，分辨率达到了250nm。

中科院上海光学精密机械研究所韩申生研究员作了题为“中科院量子光学重点实验室的X光衍射成像技术研究”的报告。他根据X射线衍射位相成像的理论，对直接衍射成像和利用部分相干光进行衍射成像做了对比，用Monte Carlo方法对成像全过程进行模拟研究，并提出了量子成像——利用量子光学信息来进行成像的新概念及需要进一步解决的如位相

复原等问题。该研究小组下一步的工作重点是：

1、直接衍射X光位相成像的应用——1）数值模拟程序中的传播过程；2）人体软组织数值模型的建立；3）直接衍射X光位相成像在人体软组织肿瘤早期诊断中的临床实验研究。

2、X光量子成像——1）不完全图像信息复原技术；2）经典热光场强度关联无透镜Fourier变换成像方案的实验演示。

中科院上海应用物理研究所的肖体乔研究员作了题为“同步辐射在医学成像中的应用”的报告。报告着重地介绍了欧洲的Elettra和ESRF两个光源的相关研究最新进展和上海光源的X射线成像及医学应用光束线站的设计情况。ESRF光源在医学成像及诊断方面做了长期的工作，在双色减影成像、衍射增强成像等领域开展了人体及动物器官的成像研究，到目前为止已做了64个病人的双色减影心血管造影成像。Elettra光源进行了同轴位相衬度成像、衍射增强成像和干涉法成像技术的研究，对蚊子等生物样品进行了高分辨率的成像，可以分辨出非常细微的管道。

中科院高能物理研究所姜晓明研究员作了题为“同步辐射心血管造影术现状”的报告。报告重点介绍了我国心血管疾病的现状及其危害，并指出按照常规诊断和检测方法存在着诸多的不足之处，而同步辐射心血管造影术虽然也有其缺点，需要进一步去研究和完善。但选择性心血管造影术能借助于心导管将造影剂直接快速地注入选定的心腔或大血管，使该处能迅速达到最高浓度，获得很好显影，可以较清楚地显示该部位的病变。目前已成为常用的心血管病诊断方法之一，尤其对复杂的心血管畸形或冠状血管搭桥等手术前诊断更是必不可少的。通常使用的有选择性右心造影、左心造影、肺动脉造影、主动脉造影、冠状动脉造影及肝动脉、肾动脉、脑血管、腹腔动脉、肠系膜动脉造影等多种。同步辐射的高通量和亮度、可调谐、时间结构和偏振性为医学科学的许多应用提供一个理想的光源。因此，随着同步辐射心血管造影术技术的不断成熟和完善，可以预测利用同步辐射光源来进行早期心血管疾病诊断的方法有着广阔的发展前景。目前，同步辐射光源造价高昂是制约该方法进一步发展的最大障碍。

中科院上海光学精密机械研究所陈建文研究员作了题为“时间分辨X射线衍射（又称超快X射线衍射）”的报告。他在先后介绍这一领域的最新研究进展和多种超快X射线脉冲光源及其在材料和生化领域中的研究进展状况的同时，详细论述了时间分辨X射线衍射探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的各种方法，如泵浦－探测等方法。超快过程可以探测的特点：探测一些瞬态或超快过程。如：单分子、液体或晶体中的原子运动、化学键的断裂与形成、电荷的转移、分子的异构化、超导相变等等。这些过程大多发生在皮秒或更短的时间尺度，只有探测光脉宽比这个时间更短时，才有可能观察这些过程。X射线衍射也可用来探测物质结构的性质，历史上，如维生素B12和DNA的结构就是通过X射线衍射发现的。材料科学方面：在皮秒时间尺度探测到了晶格间距毫埃的微小变化；在亚皮秒的时间尺度直接观测到晶体的超快熔化过程和晶体内的相干声子散射；生物化学方面：采用时间分辨X射线劳厄衍射方法探测了蛋白质大分子结构的变化和功能之间的关系；精确描述了有机分子在光作用下形态发生改变时分子键角的扭转角度，从结构上揭示了其动态机理。

复旦大学张新夷教授作了题为“X射线显微成像技术” 的报告。除了通常的吸收显微成像，还着重介绍了利用位相信息进行显微成像技术和相关的应用研究。他指出随着同步辐射装置性能的不断提高，同步辐射医学成像的作用越来越明显，同步辐射医学成像的研究也逐步从应用基础研究向临床试验过渡。同步辐射医学成像今后工作的方向是发展新方法。中科院上海应用物理研究所张桂林研究员作了题为“同步辐射X射线成象在微米尺度上对生物组织和物体的研究”的报告。汇报了他们小组在韩国同步辐射光源上进行的生物组织成像研究。他们利用不同大小、浓度的大气颗粒物灌注染毒鼠，然后利用位相成像方法观察毒鼠的肺组织，并与病理切片进行了对照，发现不同大小、浓度的大气颗粒物灌注染鼠后，鼠的肺等器官遭破坏的情况明显不同，从而获得了大气颗粒物对鼠的毒性大小的相关数据。

同步辐射成像的特点是：成像对比度好和取像速度快，同时将在 m尺度上对其它疾病如肿瘤、癌症和心血管等疾病的早期诊断提供一种崭新的工具。

复旦大学附属中山医院陈绍亮教授作了题为“影像技术医学应用进展”的报告。目前影像医学新进展是：图像融合技术；PET/CT, SPECT/CT；MicroPET；分子医学；影像工作站等。医学界目前已发展了一些新的如Micro—PET和SPECT等成像技术，陈绍亮教授指出：目前，小动物显像领域发展快速，但技术仍不完全成熟，新的商品化仪器引入要求具备高灵敏度和高分辨率，可以同时记录功能与解剖的多方式系统，这些是医生感兴趣的成像领域，同时他还对同步辐射X射线成像在医学中的应用提出了具体的建议和思考，如医生以往关心的是成像技术的成熟性、方便性等，而对成像分辨率的要求则不高，这些问题引起了同步辐射界专家的高度关注。

中科院高能物理研究所的朱佩平副研究员和黎刚博士分别作了题为“北京同步辐射光源相位衬度成像研究进展”和“X射线衍射增强成像方法及其应用”的报告，朱佩平副研究员分三个方面介绍了北京同步辐射光源相位衬度成像方法的研究进展。在菲涅耳衍射成像方法研究中，讨论了动物体内管道的成像机制，研究了光源尺寸、管道半径和折射率差与衬度的关系。在衍射增强成像方法研究中，讨论了晶体的两种排列方式和晶体热膨胀对成像光束的影响。最后介绍了衍射增强CT的研究进展。黎刚博士的报告，介绍了利用北京同步辐射光源，在生物医学成像领域的研究进展。

最后，大会执行主席、中科院上海应用物理研究所所长、上海光源总经理徐洪杰研究员作了题为“上海光源与同步辐射成像”的报告。他首先就上海光源立项的历程和上海光源项目进行了介绍和说明，接着结合介绍国际上一些国家，如美国、英国、法国等在光源方面的研究和应用情况谈了上海光源在同步辐射成像方面的战略思考和研究部署以及上海光源在X射线成像及应用领域的科学目标和发展方向。他指出成像方法的研究应根据空间分辨（衬度）、时间分辨、视场尺度、样品分辨等要求发展，不同的成像方法对光源及探测器的要求都不一样。要发展新的成像方法，同时需要发展光源（亮度、相干、通量、时间结构、其它光源）和探测器（空间分辨、时间分辨、能量分辨、尺度）。在应用研究中要寻找合适的研究对象，解决实际应用中存在的问题。

四、会议目的本次会议的召开旨在研讨国内外同步辐射成像方法研究及在各个领域中的应用现状与发展趋势，讨论思考我国在这一研究领域的未来发展策略及主要应用方向，探讨如何利用上海光源建造的契机，通过加强学科交叉联合推动国内在这一具有重要应用前景的研究领域的快速发展。

五、会议收益

本次会议是同步辐射界专家和医学界专家之间的一次直接对话。通过本次会议，深入探讨了同步辐射X射线成像及其医学应用的现状和存在的问题，加强了同步辐射界和医学界之间的合作，进一步明确了上海光源在X射线成像及其应用，特别是医学应用领域的科学目标和具体措施。专家们献计献策，畅所欲言，气氛热烈，会议圆满结束并达到了预期目的。不少专家甚至还提出，今后能否以“同步辐射X射线成像”为主题，举办系列专题研讨会的建议。

六、专家共识及建议

在自由讨论期间，与会专家对近年来国际上同步辐射成像研究进展以及我国的同步辐射X射线成像及其相关的应用研究进行了热烈的讨论，专家们一致认为同步辐射成像研究是目前发展极为迅速的一个领域，近几年来，国内在这一领域的研究也有了很大进展，但与国际上的发展势头相比还存在很大差距，主要是受限于实验装置的不足。具有国际先进指标的上海光源的建造为我国在这一领域跻身国际前沿水平之列提供了契机。与会专家呼吁：

1、建立有效机制大力推动不同学科的交叉融合，既要重视大科学平台本身的建设，更要重视和支持围绕大科学平台开展交叉学科研究；

2、同步辐射成像方法在医学临床诊断中显示了重要的应用前景，但还需要通过同步辐射专家和医学专家的长期密切合作才能真正将同步辐射技术直接应用于临床诊断；

3、设立长期研究计划持续支持具有重大应用前景和明确目标的研究方向与项目，造福于人类健康。