通过预处理威尔廷格流的基于散斑的X射线微断层成像

用低剂量X射线洞察物体内部

X射线扫描在观察物体内部方面非常强大——从化石到食物再到生物组织皆可窥见其内在结构。但许多常见材料对X射线的吸收很弱，因而常规扫描可能漏掉细节，或需要多次曝光并增加辐射剂量。本文提出了一种新方法，利用一种称为预处理威尔廷格流（PWF）的巧妙数学技术和一块简单的砂纸扩散片，从单次X射线快照中获取丰富的三维内部结构信息。

将随机颗粒纹理变为有用信息

研究者并不试图形成清晰的投影影像，而是有意产生一种颗粒状、斑驳的图样，称为“散斑”。在他们的装置中，硬X射线束穿过样品，然后通过一块薄而随机的扩散片（例如叠放的细砂纸），到达探测器。样品会微妙地移动并扭曲这种散斑图样。在这些细小的偏移中隐藏着关于X射线在样品中传播时如何被延迟和衰减的信息，这与材料的内部结构和成分密切相关。

在无需额外假设下恢复相位

对于不强烈吸收X射线的材料——如软组织、木材或许多聚合物——最有信息量的量不是光束被衰减的程度，而是其波前被延迟的量，即“相位”。现有的基于散斑的技术通常只估计该相位的局部弯曲或梯度，且常依赖通过移动扩散片进行多次测量，并辅以对样品的简化假设。与之相反，PWF仅依赖一次散斑测量和一张无样品的参考图像。它使用基于物理的模型来描述X射线的传播、与扩散片的相互作用以及由光源部分相干性引起的模糊——这对同步辐射和紧凑型实验室X射线系统都很重要。

用于更细腻细节的智能算法

该方法的核心是一个迭代数学引擎，从对样品复场的初始猜测开始（即在每一点上波的衰减和相位移动），并反复精炼这一猜测，使模拟出的散斑图样与测量到的匹配。一个关键创新是“预处理器”，它将更新引导向散斑图像最敏感的变化类型，即相位梯度的变化。第二个要素是基于过采样准则的正则化器，确保相对于未知量测得的散斑颗粒足够多，从而确定唯一且稳定的解，同时自然限制最终重建中可以信赖的最细节尺度。

用更少X射线照次得到更清晰的三维图

为验证他们的方法，研究团队对一根镶嵌微小玻璃珠的牙签进行了成像，这是一个具有非常大相位位移和细微内部结构的挑战性样品。他们将PWF与一种效果良好的“隐式跟踪”方法进行了比较，后者需在每次测量时移动扩散片并采集12幅不同的散斑图像。尽管PWF在每个视角只使用了一张散斑图像，但它生成的样品折射率三维图谱更接近已知玻璃珠的数值，显示出更清晰的边界和更少的伪影。该方法甚至能恢复通常被视为弥散“暗场”散射的一些信息，在他们的实验设置中有效将分辨率推进到约1.5微米——足以解析小型细胞和微观结构特征。

为真实样品做好准备

除了精心制备的测试物，研究者还扫描了日常标本：孜然籽、干虾、干鳀鱼和软木。使用相同的硬件和重建参数，PWF揭示了精细的内部结构和吸收成像难以看见的微小密度变化。由于每个投影角只需一幅散斑图像且方法已考虑到真实的光源模糊，该技术有望缩短扫描时间、降低辐射剂量并简化硬件。对于无损检测、材料科学，乃至未来潜在的医学成像，这项工作表明：在光束中引入一丝随机性，再配以强大的重建算法，能够将看似嘈杂的X射线图像转化为对内部结构的精确三维映射。

引用: Lee, K., Hugonnet, H., Lim, JH. et al. Speckle-based X-ray microtomography via preconditioned Wirtinger flow. Light Sci Appl 15, 121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02118-z

关键词: X射线相位对比, 散斑成像, 微断层成像, 计算成像, 无损检测