Onderzoekers rapporteren twee nieuwe benaderingen voor het produceren van driedimensionale (3D) afbeeldingen met behulp van röntgenstralen die de screening op ziekten zouden kunnen verbeteren, studie van zeer snelle processen en analyse van de eigenschappen van materialen en structurele informatie van ondoorzichtige objecten met ongekend detail.

De onderzoekers beschrijven hun benaderingen van 3D-beeldvorming met röntgenstralen in twee papers in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor high-impact onderzoek. Eén methode kan de röntgendoses die nodig zijn bij sommige soorten preventieve medische beeldvorming verminderen, zoals borstkankerscreening. De andere methode kan 3D-beeldvorming van delicate biologische monsters of de studie van zeer snelle processen mogelijk maken, zoals de soorten interacties die optreden tijdens inslagen van ruimtepuin, om de ontwikkeling van duurzamere materialen te versnellen.

Vanwege hun hoge energie en korte golflengte, Röntgenstralen kunnen door materialen heen gaan die zichtbaar licht niet kan. Hoewel het mogelijk is om 3D-röntgenbeelden te maken, huidige benaderingen zijn beperkt toepasbaar omdat ze langdurige blootstelling aan schadelijke röntgenstralen vereisen.

In mensen, te veel straling van medische röntgenfoto's kan het risico op kanker verhogen, wat beperkt hoe vaak ze kunnen worden gescreend met 3D-mammografie en andere 3D-röntgentechnologieën. Röntgenstralen met zeer hoge energie die worden gebruikt om de gedetailleerde samenstelling van materialen en biologische monsters te bestuderen, kunnen vaak niet worden gebruikt omdat de monsters na één blootstelling zouden worden vernietigd.

3D-spooktomografie met röntgenstralen

Onderzoekers onder leiding van Andrew Kingston van de Australian National University hebben samen met een team van de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankrijk voor het eerst aangetoond dat de onconventionele beeldvormingsbenadering die bekend staat als ghost imaging kan worden gebruikt om 3D X- straalbeelden van het interieur van objecten die ondoorzichtig zijn voor zichtbaar licht.

"Vanwege het potentieel voor aanzienlijk lagere doses röntgenstralen met 3D-ghostbeeldvorming, deze benadering zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de medische beeldvorming door röntgenscreening op vroege tekenen van ziekte veel goedkoper te maken, gemakkelijker beschikbaar zijn en veel vaker kunnen worden ondernomen, " zei de senior auteur van de krant, David Paganin, van de Monash-universiteit, Australië. "Dit zou de vroege detectie van ziekten, waaronder kankers, aanzienlijk 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.

De onderzoekers creëerden willekeurige röntgenpatronen door een heldere straal röntgenlicht door een metalen schuim te laten schijnen, dat is als een spons van metaal. Ze namen een 2D-beeld van deze willekeurige straal, en vervolgens een zeer zwakke kopie ervan door het monster gehaald. Een single-pixel detector met een groot oppervlak ving röntgenstralen op die door het monster gingen. Het proces werd herhaald voor meerdere verlichtingspatronen en monster-objectoriëntaties om een ​​3D-tomografische afbeelding van de interne structuur van het object te construeren.

Als proof-of-concept-experiment de onderzoekers voerden spookröntgentomografie uit op een aluminium cilinder met een diameter van 5,6 millimeter en met twee gaten van minder dan 2,0 millimeter diameter. Ze waren in staat om 3D-beelden te produceren met 1,4 miljoen "voxels" - een term voor 3D-pixels - met een resolutie, of voxel zijlengte, van 48 miljoenste van een meter.

"Röntgenspookbeeldvorming, vooral spooktomografie, is een volledig nieuw veld dat nog veel verder moet worden verkend en ontwikkeld, "zei Kingston. "Met meer ontwikkeling, we zien spookröntgentomografie als een route naar goedkopere en, daarom, veel gemakkelijker beschikbare 3D-röntgenbeeldvormingsmachines voor medische beeldvorming, industriële beeldvorming, veiligheidsonderzoek en bewaking."

3D-beelden van een enkele belichting

Een onderzoeksteam van het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland, onder leiding van Marco Stampanoni, samen met een team van de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Duitsland en de ESRF, 3D-beelden verkregen met behulp van zeer heldere röntgenbronnen. Hun nieuwe aanpak maakt gebruik van een enkele belichting, of geschoten, om 3D-informatie te verkrijgen van röntgenstralen die honderd miljard keer helderder zijn dan een röntgenbron in een ziekenhuis. De stralen kunnen alleen worden geproduceerd in gespecialiseerde synchrotronfaciliteiten.

"Heldere röntgenbronnen zijn heel nuttig voor biologie en materiaalwetenschap omdat ze snellere processen en hogere resoluties kunnen onderzoeken dan andere röntgenbronnen, " zei de eerste auteur van het artikel Pablo Villanueva-Perez van DESY. "Omdat de kracht van deze bronnen het monster na een enkele puls kan vernietigen, huidige 3D-beeldvorming die de volledige kracht van deze bronnen gebruikt, vereist meerdere identieke kopieën van een monster."

De nieuwe techniek kan de metingen uitvoeren die nodig zijn om een ​​3D-beeld te vormen voordat het monster wordt vernietigd, dus het kan nuttig zijn voor het bestuderen van de mechanica van delicate biologische monsters zoals levende insecten of het onderzoeken van de interne 3D-structuur van intacte virussen of eiwitten.

De nieuwe single-shot benadering maakt gebruik van een kristal om één inkomende röntgenstraal te splitsen in negen stralen die tegelijkertijd het monster verlichten. Door detectoren te gebruiken die georiënteerd zijn om informatie van elke bundel vast te leggen, kunnen onderzoekers in één keer negen verschillende 2D-projecties van een monsterobject verkrijgen voordat het wordt vernietigd door de intense röntgenstralenbundels.

De onderzoekers gebruikten de benadering om een ​​​​mot in beeld te brengen, die het potentieel aantoonde voor het bestuderen van insectenmechanica met 3D-microschaalresolutie met snelheden variërend van microseconden tot femtoseconden. Ze toonden ook aan dat ze resolutie op nanoschaal konden bereiken door een gouden nanostructuur af te beelden.

"We willen onze techniek combineren met de unieke mogelijkheden van de Europese X-Ray Free-Electron Laser Facility, de eerste faciliteit die röntgenpulsen aflevert met een snelheid van een miljoen pulsen per seconde, "Zei Villanueva-Perez. "Dit zou 3D-verkenning van snelle processen mogelijk maken met snelheden van miljoenen frames per seconde."

De onderzoekers zijn van plan hun single-shot multi-projection imaging-techniek te gebruiken om de biomechanica van insecten beter te begrijpen, die nieuwe technische opstellingen zou kunnen inspireren. Ze willen ook nieuwe, lichtere materialen die het brandstofverbruik van voertuigen kunnen verlagen en zijn van plan de snelle processen te onderzoeken die plaatsvinden wanneer ruimteschroot satellieten raakt, die zouden kunnen helpen bij de ontwikkeling van beschermende materialen.