Onderzoekers hebben een nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek met hoge resolutie gedemonstreerd die de beweging van snel bewegende objecten en snel veranderende dynamiek kan vastleggen. De nieuwe methode kan worden gebruikt voor niet-destructieve beeldvorming van bewegende mechanische componenten en om biologische processen vast te leggen die voorheen niet beschikbaar waren met medische röntgenbeeldvorming.

"De techniek die we hebben gedemonstreerd, kan met elke röntgenbron worden gebruikt, bovendien is het goedkoop, eenvoudig en robuust, ", zei onderzoeksteamleider Sharon Shwartz van de Bar-Ilan University in Israël. "Dus, het opent de mogelijkheid om röntgenstralen te gebruiken om snelle dynamiek buiten het laboratorium te meten."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe benadering voor röntgenbeeldvorming, die een niet-traditionele beeldvormingsmethode gebruikt die bekend staat als spookbeeldvorming om hoge beeldsnelheden met een hoge ruimtelijke resolutie te bereiken. Ze demonstreren de techniek door een röntgenfilm te maken van een blad dat met 100 draait, 000 beelden per seconde.

"Medische beeldvormingssystemen op basis van deze techniek kunnen artsen een nieuw diagnostisch hulpmiddel bieden, "zei Shwartz. "Onze aanpak zou kunnen, bijvoorbeeld, worden gebruikt om films met een hoge resolutie van het hart te maken, terwijl de stralingsdosis voor patiënten aanzienlijk wordt verminderd."

Door oppervlakken kijken

Röntgenstralen zijn nuttig voor beeldvorming vanwege hun unieke vermogen om oppervlakken binnen te dringen die ondoorzichtig zijn voor zichtbare golflengten. Traditionele röntgenbeeldvorming maakt meestal gebruik van een gepixelde camera waarbij elke pixel het intensiteitsniveau van de röntgenstraal op een specifieke positie meet.

Het maken van röntgenfoto's met een hogere resolutie vereist meer pixels, die, beurtelings, creëert enorme hoeveelheden gegevens die tijd kosten om over te zetten. Dit creëert een wisselwerking tussen beeldsnelheid en ruimtelijke resolutie, waardoor het onmogelijk wordt om snelle gebeurtenissen met een hoge resolutie vast te leggen. Hoewel zeer gespecialiseerde technieken met extreem krachtige röntgenstralen deze wisselwerking kunnen overwinnen, deze röntgenbronnen zijn alleen beschikbaar bij grote synchrotrons die in een paar faciliteiten over de hele wereld te vinden zijn.

In het nieuwe werk de onderzoekers wendden zich tot spookbeeldvorming omdat het enkelvoudige pixeldetectoren gebruikt die de beeldsnelheid kunnen verbeteren. Ghost-beeldvorming werkt door twee stralen te correleren - in dit geval Röntgenstralen - die afzonderlijk geen zinvolle informatie over het object bevatten. Eén bundel codeert een willekeurig patroon dat als referentie fungeert en het monster nooit rechtstreeks aftast. De andere bundel gaat door het monster. Omdat er zeer weinig röntgenstraling in contact komt met het object dat wordt afgebeeld, spookbeeldvorming kan ook helpen de blootstelling aan röntgenstraling te verminderen bij gebruik voor medische beeldvorming.

"Hoewel single-pixel detectoren veel sneller kunnen zijn dan gepixelde detectoren, ze bieden niet de ruimtelijke resolutie die nodig is voor beeldreconstructie, "Zei Shwartz. "We gebruikten spookbeeldvorming om dit probleem op te lossen en toonden aan dat we snelle dynamiek kunnen afbeelden met een ruimtelijke resolutie die vergelijkbaar is met of zelfs beter is dan de ultramoderne röntgenpixeldetectoren."

Een simpele oplossing

Om de referentiestraal te creëren die nodig is voor spookbeeldvorming, de onderzoekers gebruikten standaard schuurpapier dat op gemotoriseerde podia was gemonteerd om een ​​willekeurig patroon te creëren dat werd opgenomen met een hoge resolutie, langzame framerate gepixelde röntgencamera. Terwijl het podium naar elke positie werd verplaatst, de röntgenstraal raakte een ander deel van het schuurpapier, het creëren van willekeurige röntgentransmissies, of intensiteitsschommelingen.

Vervolgens verwijderden ze de gepixelde camera van de röntgenstraal en plaatsten het object dat moest worden afgebeeld en een detector met één pixel. Ze verplaatsten de gemotoriseerde podia om het object te bestralen met de intensiteitsfluctuatiepatronen geïntroduceerd op de verschillende posities van het schuurpapier en maten vervolgens de totale intensiteit nadat de straal het object had geraakt met behulp van de single-pixel detector.

Om deze benadering te gebruiken om een ​​snel bewegend blad af te beelden, de onderzoekers synchroniseerden de metingen met de beweging van het blad. Een definitief beeld zou dan kunnen worden gereconstrueerd door het referentiepatroon te correleren met de intensiteit gemeten door de single-pixel detector voor elke positie van het blad.

De onderzoekers maakten een film van het bewegende blad door beeld-voor-beeld reconstructie uit te voeren om het blad op verschillende posities vast te leggen. De resulterende film toont duidelijk de beweging met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 40 micron - bijna een orde van grootte beter dan de resolutie van de momenteel beschikbare medische beeldvormingssystemen.

De onderzoekers blijven verbeteringen aanbrengen aan het algehele systeem en het algoritme voor beeldreconstructie om de resolutie te verbeteren en de meettijden te verkorten.