近日，中国科学院高能物理研究所张一课题组在IUCrJ上发表了题为“A step towards 6D WAXD tensor tomography”的研究论文。该工作介绍了一种基于“虚拟倒易空间扫描”的六维衍射张量断层成像的新方法，并从数据获取到重建进行了全流程的模拟验证了方法的准确性与可行性。
同步辐射小角X射线散射（SAXS）与广角X射线衍射（WAXD）是表征生物材料及人工合成材料多尺度微观结构与力学性能的重要表征手段。但是常规SAXS与WAXD实验所获得的样品信息（例如物相、晶粒大小、晶体取向、应力与应变大小等）是X射线照射体积内的平均值，缺乏在入射光方向上的空间分辨能力。X射线断层扫描成像（CT）与SAXS、WAXD两种技术结合的SAXS/WAXD Tomography技术，可获得每一个体素（3D voxel）的多种结构信息，解决了传统的SAXS/WAXD缺失入射光方向空间分辨能力的难题。传统的X射线CT成像中的每一个体素为一个标量参数信息，比如骨头的密度信息。而对于各向异性的样品来说，尤其是骨头、肌肉、虾壳、贝壳等高取向度的样品，要想获得内部的三维取向与应力应变等张量分布信息，实现对分级生物材料的多尺度表征，需要开展六维散射/衍射张量成像（6D SAXS/WAXD Tensor Tomography）实验，即需要进行实空间与倒易空间共6个维度信息的扫描，这类实验方法又被称作X-ray Tensor Tomography。
2015年，Franz Pfeiffer与Marianne Libei课题组分别在Nature杂志发文（Liebi et al., 2015；Florian Schaff et al., 2015），同期报道了利用6D SAXS Tomography方法学表征不同种类分级生物材料（牙齿、骨头）内部纳米纤维取向分布的概念性验证工作，使得X射线散射/衍射张量成像技术开始受到广泛关注。然而，为了满足Tomograhy重建所需的旋转不变性，六维散射/衍射张量成像需要采集实空间与倒易空间共6个维度的信息，实验过程首先需要在实空间对样品进行三维扫描，并且每一个扫描点需对样品进一步旋转来采集倒易空间的信息。多维度的扫描过程耗时严重，目前在瑞士光源（SLS）的cSAXS线站完成一组四个维度（水平、垂直、φ和θ）的6D SAXS Tensor Tomography扫描实验仍然需要将近40 h，对样品的辐射损伤大，无法用于原位表征，极大的限制了该技术在材料科学研究中的实用性。且由于倒易空间中WAXD强度分布相比SAXS对角度的变化更敏感，要实现完整6D信息的采集需要更高采样的倒易空间信息的扫描。因此，目前X-ray Tensor Tomography方法学的研究主要面向SAXS。近年来，多个课题组相继报道了散射/衍射张量成像的算法优化与应用方面的进展（Liebi et al., 2018，Gao et al., 2019，Guizar-Sicairos et al., 2020，Tilman A. Grünewald et al., 2020, Elisa A. Casanova et al., 2023）。上述方法从一定程度上简化了倒易空间的扫描过程以及体素重构的精度，但无法从根本上解决多维度扫描导致的数据采集时效性较差的问题。
新的方法基于”虚拟倒空间扫描”的概念，将原有六维张量断层成像的扫描维度由四维降低至三维大幅提升了数据采集的时效性，并且成功的将原有的6D SAXS方法推广至6D WAXD提升了重建精度与应用范围。”虚拟倒空间扫描”核心在于利用衍射物理模型提取在2D WAXD实验谱图中隐藏的三维倒易空间信息，以此来代替原有的倒空间扫描过程(图2)。为了验证这一方法的可行性与准确性，本文对六维张量断层成像实验方法进行了全流程的模拟建模。基于模拟衍射数据集，对方法的1）三维倒空间信息提取（”虚拟倒空间扫描”）2)三维倒空间重建3）纤维三维取向参数提取等过程进行了验证，测试结果表明新的方法可以利用三个维度扫描数据精准的提取纤维的三维取向信息。
为应对三维倒空间的重建挑战，课题组提出了一种分布式的重建策略(图3)。该策略解决了各向异性材料倒空间在实验室坐标系下不满足旋转不变性的问题，同时通过将 3D 倒易空间转化到笛卡尔坐标系下的 2D 张量，再到1D 张量，采用分布式的重建策略对体素的 3D 倒易空间利用 FBP 算法进行了重建，获得了 3D 实空间和 3D 倒空间的体素信息，实现了样品的 6D 重建。最后，通过模拟数据与重建数据的对比(图4)，验证了该方法的可行性。
综上，算法的优化有望极大地改善六维衍射/散射张量成像方法的时效性，从而有利于原位表征以及辐射敏感样品的研究。随着高能同步辐射光源（HEPS）等新一代同步辐射光源的涌现，X射线亮度与探测器性能均获得了极大提升，有望开展高（数据）通量、多模态、超快频率、原位及动态加载的实验，百万帧衍射数据集的采集时间理论上可以被压缩到一小时之内，使得六维衍射张量成像表征手段有望从方法学研究真正走向实际应用。因此，在下一阶段，课题组将利用为新一代光源打造的智能化数据采集软件系统（Mamba）与人工智能（AI for science）相结合的技术手段共同解决六维衍射/散射张量断层成像大数据流在采集和分析阶段带来的算法和软件挑战。
中国科学院高能物理研究所已出站博士后赵晓艺为本论文第一作者，中国科学院高能物理研究所张一副研究员、董宇辉研究员、张俊荣研究员为本论文共同通讯作者。感谢上海光源滑文强副研究员和李娜研究员为本工作提供的重要指导和前期实验的支持。该研究还得到国家重点研发计划青年科学家项目、中国科学院战略性先导科技专项等项目的资助。
原文链接： https://doi.org/10.1107/S2052252524003750
