Røntgenmetoden muliggør billeddannelse i mikronopløsning af levende organismer over lange tidsperioder
Forskere har udviklet en røntgenbilledteknik, der kan producere detaljerede billeder af levende organismer med en meget lavere røntgendosis end tidligere muligt. Fremskridtet gør det muligt at studere små organismer eller andre følsomme prøver i høj opløsning over meget længere perioder, hvilket kan afsløre ny indsigt i en række dynamiske processer.
Fremgangsmåden er baseret på fasekontrastbilleddannelse, som ikke kun er afhængig af absorptionen af røntgenstråler i en prøve, men også på røntgenstrålernes bølgeegenskaber. Mere præcist skaber den billeder fra faseændringer, der opstår, når røntgenstråler går gennem en prøve.
"Tidligere var mikrometeropløsning røntgenfasekontrastbilleddannelse af levende organismer kun mulig i nogle få sekunder op til minutter, fordi der ville opstå alvorlig strålingsskade," forklarede forskerteammedlem Rebecca Spiecker fra Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. "Vi reducerede den nødvendige røntgendosis ved at overvinde de nuværende begrænsninger for billeddannelse i høj opløsning til dosisfølsomme applikationer."
I tidsskriftet Optica , beskriver forskerne, hvordan de udviklede et nyt røntgenbilleddannelsessystem, der bruger dedikeret højeffektiv røntgenoptik og enkeltfoton-tælledetektorer til at øge dosiseffektiviteten for fuldfeltsbilleddannelse ved mikrometeropløsning. De demonstrerede fordelene ved den nye teknik ved at afbilde små snyltehvepse, der dukker op fra deres værtsæg i mere end 30 minutter.
"Vi viser, at vores metode udviser overlegen billedbehandlingsydelse sammenlignet med en konventionel højopløsningsdetektor," sagde Spiecker. "Dette kan for eksempel være nyttigt til at fange detaljer om udviklingen og adfærden af små modelorganismer, såsom Xenopus frøembryoner, over en længere tidsskala, end det er muligt i øjeblikket."
Bedre billeder med mindre stråling
Røntgenbilleder kan afsløre skjulte strukturer og processer i levende organismer. Det udsætter dog også organismer for stråling, der er skadelig ved høje doser, hvilket begrænser, hvor længe observationer kan vare, før der sker skade. Dette forværres af det faktum, at detektionseffektiviteten af almindeligt anvendte højopløsningsdetektorer falder med stigende opløsning, hvilket betyder, at endnu højere røntgendoser er nødvendige for at opnå et billede i høj opløsning.
For at overvinde denne udfordring udviklede forskerne en fasekontrastbilledmetode, der direkte forstørrer røntgenbilledet i stedet for at konvertere røntgenbilledet til et billede med synligt lys og derefter forstørre det, hvilket er den typiske metode. Dette gjorde det muligt for dem at bruge højeffektive stortarealdetektorer, mens de bibeholdt mikrometer rumlig opløsning.
I det nye billeddannelsessystem brugte forskerne en enkelt-foton-tællende billeddetektor med en pixelstørrelse på 55 mikron. Røntgenbilledet forstørres bag prøven ved hjælp af krystaloptik, kendt som en Bragg-lup. Sidstnævnte består af to perfekte siliciumkrystaller til at udføre forstørrelse.
"For at opnå den højest mulige dosiseffektivitet for fuldfelts røntgenbilleddannelse ved mikrometeropløsning, kombinerer vi røntgenfasekontrast, en Bragg-forstørrelsesglas og en enkeltfoton-tællende detektor, alt sammen optimeret til en optimal røntgenenergi på 30 keV," sagde Spiecker. "Konceptet med Bragg forstørrelsesglas går tilbage til slutningen af 1970'erne, og selvom deres potentiale for at øge dosiseffektiviteten er blevet bemærket, er det ikke blevet undersøgt før nu."
Efter at have vist, at deres nye system kunne opnå en dosiseffektivitet på mere end 90 % og samtidig give en opløsning på op til 1,3 mikron, sammenlignede forskerne dets ydeevne med et konventionelt højopløsningsdetektorsystem, der bruger den samme prøve, røntgenfluens og 30 keV røntgenenergi.
"Ved denne energi viste vi, at vores systems detektivkvanteeffektivitet overstiger det konventionelle system med over to størrelsesordener for de relevante højopløsningskomponenter i billedet," sagde Spiecker. "Dette resulterer i bedre billeder og muliggør en drastisk reduktion af røntgendosisen i prøven."
Billeddannelse af små insekter
Forskerne brugte derefter systemet til at udføre en pilotadfærdsundersøgelse på levende snyltehvepse, som er meget brugt til biologisk skadedyrsbekæmpelse. Takket være den minimale strålingseksponering var de i stand til at tage billeder af de små hvepse inde i deres værtsæg i 30 minutter, før hvepsene endelig dukkede op.
Forskerne siger, at metoden også kan være nyttig til biomedicinske anvendelser, såsom skånsom tomografisk undersøgelse af biopsiprøver. Brug af en Bragg-lup kræver dog en monokromatisk, sammenhængende og kollimeret stråle, som er tilgængelig på røntgensynkrotronanlæg. De fortsætter også med at forbedre systemet for at opnå et større synsfelt og øget langsigtet mekanisk stabilitet for endnu længere måletider.
Flere oplysninger: Rebecca Spiecker et al., Dosiseffektiv in vivo røntgenfasekontrastbilleddannelse ved mikrometeropløsning, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.500978
Journaloplysninger: Optica
Leveret af Optica
Varme artikler
-
Ikke-line-of-sight rekonstruktion med signal-objekt kollaborativ regularisering(en), For at rekonstruere det usete objekt, nogle lyskilder bruges til at oplyse en synlig væg. Fotonerne, der hoppes tilbage fra objektet, detekteres på flere punkter på den synlige væg. (b), Grundsa -
Den fantastiske verden af flammebolde, donuts og hesteskoTil venstre en donutformet flammebold. Til højre et flameball, der har form som en hestesko. Kredit:Eindhoven University of Technology Flammebolde er blide og skrøbelige sfæriske flammer, der indt -
Forskere opnår direkte kontrafaktisk kvantekommunikationKredit:CC0 Public Domain (Phys.org) – I det ikke-intuitive kvantedomæne, Fænomenet kontrafaktualitet defineres som overførslen af en kvantetilstand fra et sted til et andet uden nogen kvante ell -
Forskere skaber fiberoptiske sensorer, der opløses i kroppenFiber Bragg-gitre bruges til at omdanne en optisk fiber til et føleelement ved at reflektere en bestemt bølgelængde tilbage i den retning, den kom fra. Nye opløselige fibre Bragg-gitre kan bruges som