医疗X射线的新相位

相位衬度成像可以

用更少的辐射呈现出更多细节

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在我们父辈的童年时代，人们腿骨折时使用的X射线与今天我们所使用的基本没有差别，只不过那时是胶片的，而现在是数字的。但这项科技正在经历一次巨大的飞跃，将使医生们利用更少的射线看到更多。

今天，要对骨骼以外的身体其他部位进行X光透视，病人需要吞服碘或钡等造影剂，它们会与医生要观察的肿瘤或其他组织相结合。但造影剂对肾脏有害，足以使一些已经很虚弱的病人受到伤害甚至致死。而且现在某些类型的X射线成像，如计算机断层扫描（CT），会产生大量的X射线，增加致癌风险，而这只是为了给医生提供清晰的图像。

被称为X射线相位衬度成像（XPCI）的技术不是测量X射线的强度，而是测量X射线的相位变化。例如，X射线经过肌肉组织的速度要比通过血液的速度慢。因此，穿过肺囊（主要是空气和血管）的胸部X光的波前将比穿过心脏的波前更快到达。

因此，XPCI不仅可以对骨骼和软骨成像，也可以对内脏器官、内出血、肿瘤和其他很多物质成像。此外，XPCI不需要有毒的造影剂，并大大减少了X射线的剂量。

“人们接受的CT扫描越来越多。医生喜欢用CT，因为那可以帮助他们更好地进行诊断，但辐射剂量也过高了。”德克萨斯州奥斯汀的X射线公司Stellarray的总裁兼首席执行官马克•伊顿（Mark Eaton）说，“相位衬度成像是完全不同的。你要检测的是相变，而不是吸收度。这就使射线的剂量降低了一到两个数量级。”

但现在美中不足的是，XPCI目前只能来自极其强大的、像激光器一样的X射线源，如仓库大小的粒子加速器。

传统的X光机会从不同的点向不同方向发射出一系列波长不同的X射线，但XPCI更为苛刻。麻省理工学院微系统技术实验室的首席科学家路易斯•费尔南多•韦拉斯克斯-加西亚（LuisFernando Velásquez-Garcia）表示：“你真正需要的是类似激光器的东西，但是是用于发射X射线的。”

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说到XPCI的X射线源，粒子加速器是最佳选择。但正如一些粒子加速器已经微型化到芯片上了，以前基于粒子加速器的X射线源也缩小了。一项更有前途的XPCI研究进展是由韦拉斯克斯-加西亚和他在麻省理工学院和波士顿麻省总医院的同事们开发的一个桌面芯片系统。

这些研究人员已经制造出了一种包含12100个微观电子发射器的芯片，其中每个发射器都从一个纳米金属尖中发射出电子。发射出的电子束通过高电压电场加速，撞入一个发射近单色光束X射线的金薄膜中。

Stellarray公司开发的XPCI成像器件，伊顿说，这个器件与麻省理工学院的技术没有区别，但他不愿透露该器件的具体细节。

马克•埃文斯（Mark Evans）是Radius Health公司的首席执行官，这家公司位于英国牛津以及洛杉矶。他说，新一代X射线设备的大小从真空管缩小到微芯片，这与射线剂量的减少同样重要。现在的X光机像大型计算机一样大。XPCI机可以缩小到个人电脑的大小或更小的尺寸。

“多数重症监护室（ICU）和急诊室都是繁忙的地方，所以要安置这个四分之一吨重的庞然大物需要花费大量的时间和精力，有时需要半个小时。”埃文斯说，“如果你能让它体积更小、重量更轻，就可以节省放射技师大量的时间。”

芝加哥Prairie Prototypes公司的海因茨•布斯塔（Heinz Busta）是国际真空纳米电子学会议（InternationalVacuum Nanoelectronics Conference）的指导委员会主席，该会议是有关XPCI和微型X射线源的重要会议。他说，随着人们对XPCI的兴趣迅速增加，并且中国、欧洲、日本和韩国的工程师们也在努力缩小XPCI源的体积。“在无损检测、消毒、国土安全和医疗成像方面，它也有大量的应用。”他说，“它不仅新，也更安全。”

作者：Mark Anderson

IEEE Spectrum

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