Optica：鬼成像技术助力化学元素分析

利用X射线荧光分析技术（X-ray fluorescence, XRF），科学家们可以分析出生物组织、工业机器部件以及许多其他复合材料的化学组分。然而X射线难以聚焦，而且用光栅扫描来定位化学成分的空间变化也较为耗时。

如今，以色列一所大学的研究人员通过将计算鬼成像与XRF技术结合，发明了一种非破坏性、无需使用透镜的探测技术（文章见：Optica, doi:10.1364.OPTICA.441682），加快了XRF进行化学元素分析过程。与传统XRF方法相比测点数量更少，而所使用的压缩传感算法恰好弥补了这一点。

图1 以色列巴伊兰大学的研究人员将计算鬼影成像技术与X 射线荧光测量技术相结合，高效率、高分辨率地生成了元素分布图。此技术有望在生物医学、材料科学、考古学、艺术和工业等领域得到广泛应用

以色列巴伊兰大学的物理学家Sharon Shwartz说，概念验证实验成功获得了分辨率约为35 μm的元素分布图；未来此项技术将能轻松达到5 μm或者更高的分辨率。

鬼成像

计算鬼成像的概念于2008年被首次提出，即利用数据处理将两束单独不产生任何关于物体信息的光束相关联。两束光中只有一束与对象交互，另一个则是不相关的参考模式。

Bar Ilan团队首先测量了由像素化掩模（直径约为40 μm）产生的x射线束强度波动。接下来，研究人员将含有铁、钴和铜的不同小块目标物体放入光束中，记录不同金属发出的荧光，并利用人工智能算法对金属放射产生的每条发射线进行了图像重建。

技术成功关键

Shwartz说，此前已有其他团队进行过X射线鬼成像，但仅实现了透射测量。她说：“我们的工作主要创新之处在于利用计算鬼成像来绘制化学元素分布图，这一方法基于传统X射线鬼成像技术，但又在很大程度上结合了压缩感知、机器学习等算法，以及其他利用可见光成像的计算图像技术。”

Shwartz说，可见光范围鬼成像相对于传统显微成像的优点并不明显；而使用X射线的无透镜计算成像则具有提高数据收集效率的巨大优势。

Shwartz说，实验成功的关键是使用掩模来调制光强，以使得光强波动高于噪声。她补充道：“我们进行了仿真，通过相机测量强度波动测到了调制。”

下一步研究方向

Shwartz说，利用x射线很容易将这项技术的分辨率提高至几微米。虽然电子束可以获得更高的分辨率，但电子系统所需的高真空环境在医疗环境中并不十分实际。然而，微电子工业的进步也许能将基于电子束的鬼影技术集成到未来一代的芯片中。

Shwartz说，她的团队已经开始将这种方法扩展到三维，使用断层扫描技术来成像物体的三维结构。她补充说：“这将是将该方法应用于计算机断层扫描等医疗应用新模式的第一步。”