Forskere tager røntgenbilleder med en hidtil uset hastighed og opløsning

Forskere har demonstreret en ny højopløselig røntgenbilledteknik, der kan fange bevægelse af hurtigt bevægelige objekter og hurtigt skiftende dynamik. Den nye metode kunne bruges til ikke-destruktiv billeddannelse af mekaniske komponenter i bevægelse og til at fange biologiske processer, der ikke tidligere var tilgængelige med medicinsk røntgenbillede.

"Den teknik, vi demonstrerede, kan bruges med enhver røntgenkilde, plus det er lav pris, enkel og robust, "sagde forskerteamleder Sharon Shwartz fra Bar-Ilan University i Israel." Således det åbner mulighed for at bruge røntgenstråler til at måle hurtig dynamik uden for laboratoriet. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik Express , forskerne beskriver deres nye røntgenbillede, som bruger en ikke-traditionel billeddannelsesmetode kendt som spøgelsesbilleddannelse for at opnå hurtige billedhastigheder med høj rumlig opløsning. De demonstrerer teknikken ved at oprette en røntgenfilm af et blad, der roterer med 100, 000 billeder i sekundet.

"Medicinske billeddannelsessystemer baseret på denne teknik kunne tilbyde et nyt diagnostisk værktøj til læger, "sagde Shwartz." Vores tilgang kunne, for eksempel, bruges til at erhverve film i høj opløsning af hjertet og samtidig reducere stråledosis kraftigt for patienter. "

At se igennem overflader

Røntgenstråler er nyttige til billeddannelse på grund af deres unikke evne til at trænge ind i overflader, der er uigennemsigtige for synlige bølgelængder. Traditionel røntgenbillede anvender typisk et pixeleret kamera, hvor hver pixel måler intensiteten af ​​røntgenstrålen i en bestemt position.

Optagelse af røntgenbilleder med højere opløsning kræver flere pixels, hvilken, på tur, skaber enorme mængder data, der tager tid at overføre. Dette skaber en afvejning mellem billeddannelseshastighed og rumlig opløsning, der gør det umuligt at fange højhastighedshændelser med høj opløsning. Selvom meget specialiserede teknikker, der involverer ekstremt kraftfulde røntgenstråler, kan overvinde denne afvejning, disse røntgenkilder er kun tilgængelige ved store synkrotroner, der findes på få faciliteter rundt om i verden.

I det nye værk, forskerne vendte sig til spøgelsesbilleddannelse, fordi den anvender single-pixel detektorer, der kan forbedre billedhastigheden. Spøgelsesbilleddannelse virker ved at korrelere to stråler - i dette tilfælde Røntgenstråler-der hver for sig ikke bærer nogen meningsfuld information om objektet. Én stråle koder for et tilfældigt mønster, der fungerer som en reference og aldrig sonderer prøven direkte. Den anden stråle passerer gennem prøven. Fordi meget lidt røntgenstrøm kommer i kontakt med objektet, der skal afbildes, spøgelsesbilleddannelse kan også hjælpe med at reducere røntgeneksponering, når den bruges til medicinsk billeddannelse.

"Selvom detektorer med en pixel kan være meget hurtigere end pixelerede detektorer, de giver ikke den rumlige opløsning, der er nødvendig for billedrekonstruktion, "sagde Shwartz." Vi brugte spøgelsesbilleddannelse til at overvinde dette problem og viste, at vi kan forestille os hurtige dynamikker med rumlig opløsning, der kan sammenlignes med eller endda bedre end de topmoderne røntgenpikselerede detektorer. "

En enkel løsning

For at oprette den referencestråle, der er nødvendig til spøgelsesbilleddannelse, forskerne brugte standard sandpapir monteret på motoriserede scener til at skabe et tilfældigt mønster, der blev optaget med en høj opløsning, langsom billedfrekvens pixeleret røntgenkamera. Da scenen blev flyttet til hver position, røntgenstrålen ramte et andet område af sandpapiret, oprettelse af tilfældige røntgenoverførsler, eller intensitetsudsving.

De fjernede derefter det pixelerede kamera fra røntgenstrålen og indsatte objektet, der skulle afbildes, og en enkeltpikseldetektor. De flyttede de motoriserede faser for at bestråle objektet med intensitetsfluktuationsmønstrene indført på sandpapirets forskellige positioner og målte derefter den samlede intensitet, efter at strålen ramte objektet ved hjælp af single-pixel detektoren.

For at bruge denne fremgangsmåde til at fremstille et blad i hurtig bevægelse, forskerne synkroniserede målingerne med bladets bevægelse. Et sidste billede kunne derefter rekonstrueres ved at korrelere referencemønsteret med intensiteten målt af single-pixel detektoren for hver position af bladet.

Forskerne lavede en film af det bevægelige blad ved at udføre billedrekonstruktion ramme for billede for at fange bladet på forskellige positioner. Den resulterende film viser klart bevægelsen med en rumlig opløsning på omkring 40 mikron - næsten en størrelsesorden bedre end opløsningen på nuværende tilgængelige medicinske billeddannelsessystemer.

Forskerne fortsætter med at foretage forbedringer af det overordnede system samt billedrekonstruktionsalgoritmen for at forbedre opløsning og forkorte målingstider.