Science >> Wetenschap >  >> Fysica

De röntgenmethode maakt beeldvorming met micronresolutie van levende organismen over lange tijdsperioden mogelijk

De nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek maakt gebruik van een veel lagere röntgendosis dankzij twee Bragg-vergrootglaskristallen (midden) en een detector voor het tellen van enkele fotonen (aan de linkerkant). Het voorbeeld wordt rechts getoond. Credit:Rebecca Spiecker, Karlsruhe Instituut voor Technologie

Onderzoekers hebben een röntgenbeeldvormingstechniek ontwikkeld die gedetailleerde beelden van levende organismen kan produceren met een veel lagere röntgendosis dan voorheen mogelijk was. Dankzij deze vooruitgang kunnen kleine organismen of andere gevoelige monsters met hoge resolutie over veel langere perioden worden bestudeerd, wat nieuwe inzichten in een verscheidenheid aan dynamische processen zou kunnen opleveren.



De aanpak is gebaseerd op fasecontrastbeeldvorming, die niet alleen afhankelijk is van de absorptie van röntgenstralen in een monster, maar ook van de golfeigenschappen van röntgenstralen. Preciezer gezegd:het creëert beelden van faseveranderingen die optreden als röntgenstraling door een monster gaat.

"Voorheen was röntgenfasecontrastbeeldvorming met micrometerresolutie van levende organismen slechts enkele seconden tot minuten mogelijk, omdat er ernstige stralingsschade zou optreden", legt onderzoeksteamlid Rebecca Spiecker van het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland uit. "We hebben de noodzakelijke dosis röntgenstraling verlaagd door de huidige beperkingen van beeldvorming met hoge resolutie voor dosisgevoelige toepassingen te overwinnen."

In het tijdschrift Optica beschrijven de onderzoekers hoe ze een nieuw röntgenbeeldvormingssysteem hebben ontwikkeld dat gebruik maakt van speciale, zeer efficiënte röntgenoptica en detectoren voor het tellen van afzonderlijke fotonen om de dosisefficiëntie voor beeldvorming over het hele veld met een micrometerresolutie te verhogen. Ze demonstreerden het voordeel van de nieuwe techniek door gedurende meer dan 30 minuten kleine sluipwespen in beeld te brengen die uit hun gastheereieren tevoorschijn kwamen.

De onderzoekers gebruikten de nieuwe techniek om kleine sluipwespen in beeld te brengen die uit hun gastheereieren tevoorschijn kwamen. Zelfs na 30 minuten beeldvorming vertoonden de wespen dankzij de minimale blootstelling aan straling geen afwijkingen in hun gedrag. Credit:Rebecca Spiecker, Karlsruhe Instituut voor Technologie

"We laten zien dat onze methode superieure beeldprestaties vertoont in vergelijking met een conventionele detector met hoge resolutie", aldus Spiecker. "Dit zou bijvoorbeeld nuttig kunnen zijn voor het vastleggen van details van de ontwikkeling en het gedrag van kleine modelorganismen, zoals Xenopus-kikkerembryo's, over een langere tijdschaal dan momenteel mogelijk is."

Betere beelden met minder straling

Röntgenfoto's kunnen verborgen structuren en processen in levende organismen onthullen. Het stelt organismen echter ook bloot aan straling die schadelijk is bij hoge doses, waardoor de duur van waarnemingen wordt beperkt voordat er schade ontstaat. Dit wordt nog verergerd door het feit dat de detectie-efficiëntie van veelgebruikte detectoren met hoge resolutie afneemt naarmate de resolutie toeneemt, wat betekent dat er nog hogere röntgenstralingsdoses nodig zijn om een ​​beeld met hoge resolutie te verkrijgen.

Om deze uitdaging te overwinnen, ontwikkelden de onderzoekers een fasecontrastbeeldvormingsbenadering die het röntgenbeeld direct vergroot in plaats van het röntgenbeeld om te zetten in een zichtbaar lichtbeeld en het vervolgens te vergroten, wat de gebruikelijke methode is. Hierdoor konden ze zeer efficiënte detectoren met een groot oppervlak gebruiken, terwijl de ruimtelijke resolutie op micrometerniveau behouden bleef.

Een nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek kan gedetailleerde beelden van levende organismen produceren met een veel lagere röntgendosis dan voorheen mogelijk was. De onderzoekers gebruikten de nieuwe techniek om gedurende meer dan 30 minuten kleine sluipwespen in beeld te brengen die uit hun gastheereieren tevoorschijn kwamen. Credit:Rebecca Spiecker, Karlsruhe Instituut voor Technologie

In het nieuwe beeldvormingssysteem gebruikten de onderzoekers een beelddetector voor het tellen van enkele fotonen met een pixelgrootte van 55 micron. Het röntgenbeeld wordt achter het monster vergroot met behulp van kristaloptiek, ook wel een Bragg-vergrootglas genoemd. Deze laatste bestaat uit twee perfecte siliciumkristallen om vergroting uit te voeren.

"Om de hoogst mogelijke dosisefficiëntie te bereiken voor full-field röntgenbeeldvorming met micrometerresolutie, combineren we röntgenfasecontrast, een Bragg-vergrootglas en een detector voor het tellen van enkele fotonen, allemaal geoptimaliseerd voor een optimale röntgenenergie van 30 keV", zei Spiecker. "Het concept van Bragg-loepen dateert uit de late jaren zeventig, en hoewel hun potentieel voor het verhogen van de dosisefficiëntie is opgemerkt, is dit tot nu toe niet onderzocht."

Nadat ze hadden aangetoond dat hun nieuwe systeem een ​​dosisefficiëntie van meer dan 90% kon bereiken en tegelijkertijd een resolutie van maximaal 1,3 micron kon bieden, vergeleken de onderzoekers de prestaties ervan met een conventioneel detectorsysteem met hoge resolutie dat hetzelfde monster, dezelfde röntgenstraling en 30 micron gebruikte. keV röntgenenergie.

"Bij deze energie hebben we aangetoond dat de detective-kwantumefficiëntie van ons systeem het conventionele systeem met meer dan twee ordes van grootte overtreft voor de relevante componenten met hoge resolutie van het beeld", aldus Spiecker. "Dit resulteert in betere beelden en maakt een drastische vermindering van de röntgendosis in het monster mogelijk."

Kleine insecten in beeld

De onderzoekers gebruikten het systeem vervolgens om een ​​pilot-gedragsstudie uit te voeren op levende sluipwespen, die veel worden gebruikt voor biologische ongediertebestrijding. Dankzij de minimale blootstelling aan straling konden ze gedurende 30 minuten beelden vastleggen van de kleine wespen in hun gastheereieren voordat de wespen uiteindelijk tevoorschijn kwamen.

De onderzoekers zeggen dat de methode ook nuttig kan zijn voor biomedische toepassingen, zoals zacht tomografisch onderzoek van biopsiemonsters. Het gebruik van een Bragg-loep vereist echter een monochromatische, coherente en gecollimeerde straal, die beschikbaar is bij röntgensynchrotronfaciliteiten. Ze blijven het systeem ook verbeteren om een ​​groter gezichtsveld en een grotere mechanische stabiliteit op lange termijn te bereiken, voor nog langere meettijden.

Meer informatie: Rebecca Spiecker et al., Dosis-efficiënte in vivo röntgenfasecontrastbeeldvorming met micrometerresolutie, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.500978

Journaalinformatie: Optica

Geleverd door Optica




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wetenschappers ontdekken dat genen worden aangestuurd door nanovoetballen
  2. De schimmels onder zijn de grote ontbinders
  3. Hoe u een mRNA-reeks kunt berekenen
  4. Wat wordt er weergegeven als geen enkele kopie van een allel de expressie maskeert?
  5. Hoe glyfosaat de broedzorg bij hommels beïnvloedt
  6. Wanneer vissen:Timing is belangrijk voor vissen die migreren om zich voort te planten
  7. Kwam Eiwit, DNA of RNA als eerste?
  8. Onderzoek toont een manier om een ​​gemeenschappelijke basis te creëren over gen-editing
  9. Eenmaal uitgestorven verklaard, Lord Howe Island wandelende takken leven echt

Wetenschap