Synchrotron X-Ray Multi-Projection Imaging (XMPI) for High-Resolution 4D Characterization of Multiphase Flows

本文介绍了一种同步辐射X射线多投影成像（XMPI）技术，这是一种新型的无需旋转的技术，通过捕获同步的多角度投影，实现了对不透明多相流中微粒的高分辨率四维追踪，从而克服了以往在流变学、医学和材料科学应用中观察微尺度动力学的局限性。

要点

想象一下，试图观察一颗沙粒在厚重的、泥泞的蜂蜜中游动。如果你用肉眼去看，你看到的只是模糊的一片棕色。即使你使用标准相机，泥浆也会阻挡光线。即便你能看穿泥浆，大多数 3D 相机也需要你旋转罐子才能获得完整的图像。但如果你旋转罐子，就会改变沙粒的运动方式，从而破坏了实验。

这就是科学家们多年来在研究“多相流”（multiphase flows）时面临的问题——即微小颗粒、气泡或液滴在流体中漂浮的混合物。这些混合物无处不在：在血液、油漆、番茄酱甚至岩浆中都有。了解这些微小颗粒在厚重且不透明的液体中是如何运动的至关重要，但想要在不干扰它们的情况下看清这一切，几乎是不可能的。

全新的“神奇手电筒”

论文中的研究人员开发了一种名为 XMPI（同步辐射 X 射线多投影成像）的新型工具，解决了这个难题。以下是它的工作原理，我们用一个简单的类比来说明：

把标准的 X 射线机想象成一个穿过墙壁的单向手电筒。你会得到一个扁平的 2D 影子。要获得 3D 图像，你通常必须旋转物体（就像医院里的 CT 扫描）。

然而，XMPI 团队在瑞典名为 MAX IV 的大型研究设施中使用了一个超强大的“手电筒”。他们没有使用单束光，而是利用特殊的晶体将一束 X 射线分成两束独立的光束，就像三棱镜将白光分解成彩虹一样。这两束光同时从两个不同的角度击中样本。

• 设置： 想象你同时拿着两个手电筒，以不同的角度照射着一罐浑浊的血液。
• 结果： 另一侧的两台相机会在同一瞬间捕捉到两个不同的“影子”（投影）。
• 神奇之处： 因为他们同时拥有两个视角，所以他们可以通过数学计算，精确得出每一个微小颗粒在 3D 空间中的位置，而无需旋转罐子。

他们实际看到了什么

团队在两种截然不同的“泥泞”液体上进行了测试：

1. 甘油（粘稠糖浆）： 他们在厚重的甘油中混合了微小的空心玻璃珠（大约有人发宽度）。因为这些珠子是空心的，X 射线穿过它们的方式与穿过液体不同，使它们看起来像发光的点。他们成功追踪了数百个这些珠子随流动的路径，创建了一部 4D 电影（3D 空间 + 时间）。
2. 人类血液： 这是真正的挑战。血液是不透明且粘稠的。你无法用普通相机看穿它。然而，X 射线可以直接穿透。尽管红细胞本身太小无法单独观察，但漂浮在血液中的微小玻璃珠清晰可见。团队追踪了这些珠子在血液中游动的过程，证明了该方法即使在最困难的、“泥泞”的流体中也同样有效。

为什么这很重要（根据论文内容）

论文强调了三项主要成就：

• 无需旋转： 他们可以实时观察快速流动的流体，而无需旋转样本，这意味着他们不会因为旋转罐子而意外产生虚假的电流。
• 看见不可见之物： 他们可以追踪在对光完全不透明（如血液或油漆）的流体中的单个颗粒，这在以前是不可能的。
• 两种观察方式：
  • “观察者”法（The "Spotter" Method）： 在较稀薄的混合物中，他们逐一追踪单个颗粒（就像在比赛中跟随特定的跑步者）。
  • “流场图”法（The "Flow Map" Method）： 在非常浓稠、拥挤的混合物中，无法分辨单个珠子时，他们使用了名为“光流法”（Optical Flow）的计算机视觉技术。这就像观察人群的整体移动方向，即使你无法挑出某一个特定的人。

底线

这篇论文并不声称它现在就能治愈疾病或建造新引擎。相反，它声称构建了一只新的“眼睛”，可以观察厚重、黑暗且流动的流体。通过将 X 射线分成两束光，他们创造了一种方法，可以拍摄不透明液体（如血液和糖浆）中微小颗粒流动的高速 3D 电影，而且无需触碰或旋转样本。这为科学家提供了一个全新的、清晰的窗口，去窥探此前隐藏在黑暗中的微观流体世界。

技术摘要

技术摘要：用于高分辨率 4D 特征化多相流的同步辐射 X 射线多投影成像 (XMPI)

问题陈述
涉及悬浮在流体中的颗粒、气泡或液滴的多相流在生物学、医学和工业过程（如血液流动、造纸和混凝土搅拌）中至关重要。然而，在不透明流体中观察这些系统的微观尺度动力学仍然是一个根本性的挑战。光学方法受限于透明系统，或者需要通常与现实世界悬浮液不兼容的折射率匹配策略。虽然超声多普勒测速术 (UDV) 和磁共振测速术 (MRV) 等技术可以访问不透明系统，但它们通常提供有限的空间或时间分辨率，且仅能提供平均或间接的流动信息。此外，标准的时分辨 X 射线计算机断层扫描 (XCT) 需要样品旋转，这限制了其在慢速流动中的适用性，并会在旋转坐标系中引入惯性伪影。

方法论
作者提出了同步辐射 X 射线多投影成像 (XMPI)，这是一种能够在无需样品旋转的情况下，实现密集悬浮液中微颗粒四维（3D + 时间）追踪的新方法。实验是在瑞典 Lund 的 MAX IV 同步辐射设施的 ForMAX 光束线上进行的。

• 实验设置： 一束直接 X 射线（16.55 keV）通过硅和锗晶体的布拉格反射被分成两个角度分离的束流（间隔约 48°）。这两束光同时照射一个静态样品（内径约为 0.72 mm 的 Kapton 管），管内含有流动的悬浮液。
• 检测： 两个相同的间接 X 射线显微镜配备了 LuAG:Ce 闪烁体和 sCMOS 相机，同时捕捉两个角度的投影。有效像素尺寸为 1.3 µm，系统运行频率为 40 Hz。
• 样品： 研究利用了镀银空心硼硅酸盐玻璃球 (SHGS，平均直径 10 µm) 悬浮在两种介质中：
  1. 甘油（稀释和高浓度）以展示在受控流体中的追踪能力。
  2. 人全血（血细胞比容约为 40%）以展示在高度不透明、复杂的生物流体中的能力。
• 数据分析：
  • 稀释悬浮液： 使用开源 MyPTV 库进行个体粒子追踪。在两个投影中识别粒子，并通过匹配来重建 3D 轨迹和速度。
  • 密集悬浮液： 由于在拥挤场中追踪单个粒子的难度较大，作者使用 MATLAB 中的 RAFT 算法应用光流法 (OF) 分析，以估计投影速度场。这些结果与理论 Poiseuille 流速剖面进行了对比。

核心贡献

1. 无旋转 4D 成像： 本文展示了 XMPI 在同步辐射源上的首次应用，实现了不透明流体中时分辨、微米级尺度的 4D 成像，且无需样品旋转。
2. 不透明介质中的追踪： 该方法成功解析了甘油和人血中单个微粒的位置和轨迹，克服了光学技术的透明度限制。
3. 统计流动特征化： 研究验证了提取统计流动属性的能力，包括稀释状态（通过 3D 粒子追踪测速术）和密集状态（通过光流法）下的速度剖面和粒子数量密度分布。
4. CFD 模型验证： 高分辨率实验数据为验证粒子解析计算流体力学 (CFD) 模型提供了基准数据，特别是针对诸如惯性聚焦和微观结构动力学等复杂现象。

结果

• 稀释流 (甘油)： 系统追踪了 0.1 wt.% 悬浮液中的 2,400 多个粒子。重建的 3D 轨迹证实了层流 Poiseuille 速度剖面。在管壁附近观察到了无粒子层，这归因于非理想的上游条件或壁面结垢，而非惯性聚焦（鉴于低雷诺数，$Re \approx 4.7 \times 10^{-5}$）。
• 生物流 (血液)： 在人血中成功追踪了单个 SHGS 粒子。虽然红细胞 (RBC) 未作为独立粒子被直接解析，但通过 RBC 产生的斑点图案在两个投影中均清晰可见，这与之前的 X 射线血液研究一致。
• 密集流 (10 wt.% 甘油)： 由于粒子重叠，单个粒子追踪具有挑战性。然而，光流分析成功生成了投影速度剖面，在考虑 0.02 mm 无粒子层后，该剖面与理论 Poiseuille 剖面高度吻合。两个投影角度之间的一致性证实了流动的圆柱对称性。
• 性能极限： 当前设置（40 Hz）限制了最大可追踪速度为 ~20 mm/s，以避免运动模糊。作者指出，通过使用更快的相机（kHz 范围）和更高通量的光源，该系统理论上可以探测高达 8000 mm/s 的速度。

意义与主张
作者声称，XMPI 开辟了高速度、无旋转微型断层扫描复杂多相流的新时空前沿。通过将 XMPI 与最新的 AI 支持的重建算法和稀疏投影技术相结合，该方法为研究 kHz 采集速率下密集悬浮液中的时分辨微米级特征提供了路径。

论文强调，该方法提供了此前无法获得的实验验证，用于验证 CFD 模型，并允许观察与悬浮液流变学和生物医学流动相关的微观结构动力学。虽然目前的研究在时间分辨率（40 Hz）和视野（<10 mm）方面较为有限，但作者认为该技术是可扩展的。他们设想未来的应用将扩展到粒子悬浮液之外，包括气液流（泡沫）和不互溶液-液流（乳液），前提是利用更高的通量密度和更快的检测方案。这项工作建立了使用基于同步辐射的多投影成像来解析不透明多相系统 4D 动力学的概念验证。