SHI：一种用于空间谐波成像的框架

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现代 X 射线设备能做的不只是显示骨折。它们还能揭示材料如何弯曲、散射和偏转射线束，从而发现普通图像无法看到的精细结构。本文介绍了 SHI，一个开源软件框架，它将曾经由实验室专用的方法——空间谐波成像——变成了实用工具。SHI 帮助研究人员从同一次曝光中提取多种 X 射线对比度，甚至构建三维扫描，为医学、工业和材料成像在更低辐射剂量下提供了更清晰的成像可能。

从简单阴影到更丰富的 X 射线影像

传统 X 射线主要测量样品吸收了多少射线，产生熟悉的明暗阴影。但 X 射线在穿过组织或材料时也会被轻微弯曲和散射。空间谐波成像通过在射线束中放置一个精细图案化的掩模——类似网格或格栅——来利用这一点。掩模将射线分成许多窄束，这些束穿过样品并落在探测器上。探测器记录到的原始图像是被样品调制的规则图案。在计算机中，这种结构化图案通过一种称为傅里叶变换的数学工具进行分析，以分离出不同的“谐波”，每个谐波对应一种特定的对比类型：吸收、折射（相位）和小角散射。

用于复杂工作流程的统一软件工具

迄今为止，空间谐波成像一直受到各实验室自制、各不相同的处理脚本的限制。SHI（空 间谐波成像的简称）填补了这一空白。它是一个基于 Python 的开源软件包，处理从原始数据到成像结果的整个流程。通过一个简单的图形界面，用户采集四种基本图像：暗场（探测器噪声）、亮场（裸束）、仅含掩模的参考帧和同时包含掩模与样品的样品帧。SHI 自动整理这些文件，校正噪声与背景，并为详细分析做准备，无需用户编写代码。

将图案转化为物体内部的多重视图

采集图像后，SHI 执行一系列处理步骤。它首先通过减去暗噪声并用亮场进行归一化来清理数据。然后对参考图像和样品图像应用傅里叶变换，分离出反映周期性掩模的谐波峰阵列。通过截取每个峰并将其反变换回去，SHI 恢复出强调不同物理效应的图像。一个谐波产生经典的吸收图像；其他谐波则突出显示光束的偏转量（相位衬度）或被微小内部结构散射的程度（散射对比度）。SHI 还可以利用高阶谐波获取更精细的方向性细节。所有这些输出都被分类存入文件夹并保存为标准图像文件，供查看或进一步分析使用。

更快且更低剂量地构建三维视图

相同的方法自然可以扩展到三维成像。通过旋转样品——这里选用榛子作为具有复杂内部结构的示例——并重复采集，SHI 生成了一系列适用于计算断层成像（CT）的多对比投影。一个关键发现是：由于空间谐波成像实际上将分辨率限制在掩模所能支持的范围内，因此重建清晰三维体积所需的投影张数较少。使用标准 CT 算法的测试表明，从近 3000 个视角减少到几百个时，仅造成轻微的细节损失，同时大大降低了数据量和潜在的辐射暴露。谐波滤波还减弱了锥形 X 光束带来的几何畸变，使得在软件处理中，系统几乎可以被当作更简单的平行束布局来处理。

这对未来成像的重要性

简单来说，SHI 使一种先进但难以操作的 X 射线技术变得实用。通过将设备控制、数据管理和复杂数学算法打包到一个开放且文档齐全的框架中，它降低了想在 X 光图像中看到更多内容的实验室的门槛。研究人员现在可以从相同测量中获得吸收、相位和散射信息——甚至三维重建——通常所需角度更少、剂量更低。随着该软件对更多硬件和实时处理的支持不断扩展，它有望将更丰富、更安全的 X 射线成像带入医学、材料科学和工业的常规应用中。

引用: Diaz, J.L.B., Korvink, J.G. & Kunka, D. SHI: a framework for spatial harmonic imaging. Sci Rep 16, 4338 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37029-5

关键词: 空间谐波成像, 多对比度 X 射线, 计算断层成像, 开源成像软件, 相位衬度