Лаборатория

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8707 (2023) Цитировать эту статью

370 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Рентгеновская фазово-контрастная визуализация с отслеживанием луча — это подход типа «Шака-Хартмана», в котором используется маска предварительного образца для разделения рентгеновских лучей на «лучи», которые опрашиваются детектором с достаточным разрешением. Максимальное пространственное разрешение определяется размером апертуры маски, однако для достижения этого уровня разрешения необходимо «перемещать» образец или маску с шагом, равным размеру апертуры («смешение»). Если вместо длинных параллельных щелей используется массив круглых апертур (который также обеспечивает двумерную фазовую чувствительность), это перемещение необходимо выполнять в двух направлениях, что значительно удлиняет время сканирования. Мы представляем конструкцию маски, полученную путем смещения рядов круглых отверстий, что обеспечивает двумерную чувствительность и изотропное разрешение, требуя при этом перемещения образца или маски только в одном направлении. Мы представляем изображения изготовленных по индивидуальному заказу фантомов и биологических образцов, демонстрируя, что количественное восстановление фазы и пространственное разрешение, близкое к ограниченному апертурой, достигаются в двух ортогональных направлениях.

Контраст обычных рентгеновских изображений зависит от ослабления рентгеновских лучей, проходящих через вещество; Обычная рентгеновская компьютерная томография (КТ) предоставляет информацию о внутренней структуре материалов в трех измерениях на основе сигнала затухания1. И планарный рентген (рентгенография), и КТ обычно используются в различных областях, включая медицину и материаловедение. Однако они страдают от низкой контрастности в тех случаях, когда образец слабо ослабляет (например, биологическая ткань) и/или состоит из нескольких материалов с одинаковым ослаблением.

Преодоление ограничений рентгеновской визуализации на основе ослабления было предметом обширных исследований в течение последних десятилетий. Один из подходов заключается в использовании при формировании изображения фазового сдвига, который испытывают рентгеновские лучи при прохождении через вещество, что приводит к эффектам преломления (угол преломления пропорционален первой производной фазового сдвига2,3). Рентгеновская фазово-контрастная визуализация (XPCI) и томография (XPC-CT) — это мощные методы, которые имеют много преимуществ по сравнению с методами, основанными на затухании; в частности, они обеспечивают значительно более высокий контраст4. Это приводит к увеличению отношения контраста к шуму (CNR) для той же статистики обнаруженного рентгеновского излучения, что в конечном итоге позволяет обнаруживать детали, невидимые для обычного рентгеновского изображения, и легче различать различные материалы. Кроме того, фазовый контраст может поддерживаться при высоких энергиях рентгеновского излучения, что снижает количество дозы, попадающей в образец3,5, что особенно полезно при биомедицинской визуализации.

Методы визуализации, в которых используется рентгеновская фаза при формировании изображения, включают методы визуализации на основе распространения6, методы визуализации на основе анализатора7, методы визуализации на основе спеклов8, интерферометрические методы на основе кристаллов9, интерферометрические методы на основе решеток10 и неинтерферометрические методы на основе решеток11 . В этих методах используются различные экспериментальные установки для создания фазовой чувствительности и, следовательно, их требования очень высоки с точки зрения пространственной и временной когерентности рентгеновского пучка. В прошлом предпринимались некоторые попытки количественного сравнения различных методов XPCI12,13,14.

Предметом данной статьи является неинтерферометрический метод визуализации на основе решеток. В этой категории методов перед образцом используются модуляторы, обычно маски с чередующимися поглощающими и передающими перегородками, которые структурируют рентгеновский луч в массив пучков с незначительным взаимным перекрытием. Затем затухание и преломление образца приводят к уменьшению интенсивности и латеральному смещению пучков соответственно. Чувствительность к последнему достигается за счет использования либо второй маски на детекторе (краевая подсветка11), либо детектора с достаточно малым размером пикселя для индивидуального разрешения бимлетов (отслеживание луча15). Хотя требование к детекторам небольшого размера пикселей ограничивает поле зрения, отслеживание луча имеет значительное преимущество, заключающееся в том, что сигналы затухания и преломления извлекаются из одного кадра. Здесь следует отметить, что оба механизма восприятия, краевое освещение и отслеживание луча, позволяют также получать сигнал темного поля (рассеяние под малым углом); однако это было сочтено выходящим за рамки данной работы, в которой основное внимание уделяется однонаправленному сканированию, обеспечиваемому новой конструкцией маски. Сначала мы протестировали отслеживание луча XPCI с помощью синхротронного излучения16, затем перенесли его на лабораторную установку15; в обоих случаях одномерная фазовая чувствительность достигалась с помощью маски с длинными параллельными щелями. Этот метод был далее развит для CT17,18, для двумерной фазовой чувствительности с использованием маски с круглыми апертурами19,20, а также путем объединения обоих этих достижений с синхротронным излучением21 и в компактной лабораторной установке22. Следует отметить, что прямое разрешение массива бимлетов с помощью детектора с достаточным разрешением имеет сходство с датчиком волнового фронта Шака-Хартмана (который, однако, использует линзы), и действительно, другие группы разработали аналогичные концепции, даже раньше23,24.