Nye metoder kan forbedre, udvide 3D-billeddannelse ved hjælp af røntgenstråler

Forskere rapporterer om to nye tilgange til fremstilling af tredimensionelle (3-D) billeder ved hjælp af røntgenstråler, der kan forbedre sygdomsscreening, undersøgelse af meget hurtige processer og muliggør analyse af materialers egenskaber og strukturel information af uigennemsigtige genstande med hidtil usete detaljer.

Forskerne beskriver deres tilgange til 3D-billeddannelse med røntgenstråler i to artikler i Optica , The Optical Society's journal for high-impact research. En metode kan reducere røntgendoser, der er nødvendige i nogle former for forebyggende medicinsk billeddannelse, såsom brystkræftscreening. Den anden metode kan tillade 3-D billeddannelse af sarte biologiske prøver eller undersøgelse af meget hurtige processer, såsom de typer af interaktioner, der opstår under rumaffaldspåvirkninger, at fremskynde udviklingen af ​​mere holdbare materialer.

På grund af deres høje energi og korte bølgelængde, Røntgenstråler kan passere gennem materialer, som synligt lys ikke kan. Selvom det er muligt at få 3-D røntgenbilleder, nuværende tilgange er begrænset i anvendelse, fordi de kræver langvarig eksponering for skadelige røntgenstråler.

Hos mennesker, for meget stråling fra medicinsk røntgenbillede kan øge kræftrisikoen, hvilket begrænser, hvor ofte de kan screenes med 3-D mammografi og andre 3-D røntgenteknologier. Meget højenergi røntgenstråler, der bruges til at studere den detaljerede sammensætning af materialer og biologiske prøver, kan ofte ikke bruges, fordi prøverne ville blive ødelagt efter én eksponering.

3-D spøgelsestomografi med røntgenstråler

Forskere ledet af Andrew Kingston fra Australian National University sammen med et hold ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig har for første gang demonstreret, at den ukonventionelle billedbehandlingsmetode kendt som spøgelsesbilleder kan bruges til at opnå 3-D X- strålebilleder af det indre af objekter, der er uigennemsigtige for synligt lys.

"På grund af potentialet for væsentligt lavere doser af røntgenstråler med 3-D spøgelsesbilleder, denne tilgang kunne revolutionere medicinsk billeddannelse ved at gøre røntgenscreening for tidlige tegn på sygdom meget billigere, lettere tilgængelig og i stand til at blive udført meget oftere, " sagde avisens seniorforfatter, David Paganin, fra Monash University, Australien. "Dette ville i høj grad forbedre tidlig påvisning af sygdomme, herunder kræft."

Ghost imaging fungerer ved at korrelere to stråler - i dette tilfælde, Røntgenstråler - der ikke individuelt bærer nogen meningsfuld information om objektet. En stråle koder for et tilfældigt mønster, der fungerer som en reference og aldrig direkte sonderer prøven. Den anden stråle passerer gennem prøven.

Forskerne skabte tilfældige røntgenmønstre ved at skinne en lys stråle af røntgenlys gennem et metalskum, som er som en svamp lavet af metal. De tog et 2-D billede af denne tilfældige stråle, og derefter sendte en meget svag kopi af den gennem prøven. En enkeltpixeldetektor med stort område fangede røntgenstråler, der passerede gennem prøven. Processen blev gentaget for flere lysende mønstre og prøve-objekt-orienteringer for at konstruere et 3-D tomografisk billede af objektets indre struktur.

Som et proof-of-concept eksperiment, forskerne udførte spøgelsesrøntgentomografi på en aluminiumscylinder med en diameter på 5,6 millimeter og indeholdende to huller på mindre end 2,0 millimeter i diameter. De var i stand til at producere 3-D-billeder med 1,4 millioner "voxels" - en betegnelse for 3-D pixels - med en opløsning, eller voxel sidelængde, på 48 milliontedele af en meter.

"Røntgen spøgelsesbilleder, især spøgelsestomografi, er et helt nyt felt, der skal udforskes og udvikles meget yderligere, " sagde Kingston. "Med mere udvikling, vi forestiller os spøgelsesrøntgentomografi som en vej til billigere og, derfor, meget mere let tilgængelige 3-D røntgen billedbehandlingsmaskiner til medicinsk billeddannelse, industriel billeddannelse, sikkerhedsscreening og overvågning."

3D-billeder fra en enkelt eksponering

Et forskerhold fra Paul Scherrer Instituttet i Schweiz, ledet af Marco Stampanoni, sammen med et team fra Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Tyskland og ESRF, erhvervede 3-D-billeder ved hjælp af højglans røntgenkilder. Deres nye tilgang bruger en enkelt eksponering, eller skudt, at få 3D-information fra røntgenstråler hundrede milliarder gange lysere end en røntgenkilde på hospitalet. Strålerne kan kun produceres på specialiserede synkrotronanlæg.

"Røntgenkilder med høj glans er ret nyttige til biologi og materialevidenskab, fordi de kan undersøge hurtigere processer og højere opløsninger end andre røntgenkilder, " sagde avisens første forfatter Pablo Villanueva-Perez fra DESY. "Fordi kraften i disse kilder kan ødelægge prøven efter en enkelt puls, nuværende 3-D-billeddannelse, der bruger den fulde kraft af disse kilder, kræver flere identiske kopier af en prøve."

Den nye teknik kan foretage de nødvendige målinger for at danne et 3-D-billede, før prøven ødelægges, så det kunne være nyttigt til at studere mekanikken i sarte biologiske prøver såsom levende insekter eller undersøge den interne 3-D struktur af intakte vira eller proteiner.

Den nye enkeltskudsmetode bruger en krystal til at opdele en indgående røntgenstråle i ni stråler, der samtidig belyser prøven. Ved at bruge detektorer, der er orienteret til at optage information fra hver stråle, tillader forskere at erhverve sig på én gang ni forskellige 2-D projektioner af et prøveobjekt, før det ødelægges af de intense røntgensondestråler.

Forskerne brugte tilgangen til at afbilde en møl, som demonstrerede potentialet for at studere insektmekanik med 3-D mikroskala opløsning ved hastigheder fra mikrosekunder til femtosekunder. De viste også, at de kunne opnå opløsning i nanoskala ved at afbilde en guld nanostruktur.

"Vi vil gerne kombinere vores teknik med de unikke muligheder i European X-Ray Free-Electron Laser Facility, den første facilitet til at levere røntgenimpulser med en hastighed på en million impulser i sekundet, " sagde Villanueva-Perez. "Dette kunne tillade 3D-udforskning af hurtige processer med hastigheder på millioner af billeder i sekundet."

Forskerne planlægger at bruge deres single-shot multi-projektion billedbehandlingsteknik til bedre at forstå insekt biomekanik, som kunne inspirere til nye tekniske opsætninger. De vil også gerne studere nyt, lettere materialer, der kan sænke brændstofforbruget til køretøjer og planlægger at undersøge de hurtige processer, der opstår, når rumaffald rammer satellitter, som kunne hjælpe med at udvikle beskyttelsesmaterialer.