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新方法可以提高、扩展使用X射线进行三维成像

发布:guangxuedaren    |    2018-12-04 00:04    阅读:171
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研究人员报告了两种利用X射线生成三维图像的新方法,这些方法可以改善疾病筛查,研究非常快速的过程,并能够以前所未有的细节分析材料的属性和不透明物体的结构信息。 研究人员在美国光学学会旗下期刊Optica的两篇论文中描述了他们使用X射线进行三维成像的方法。一种方法可以减少某些类型的预防性医学成像(例如乳腺癌筛查)中所需的X射线剂量。另一种方法可能允许对精细生物样品进行三维成像,或研究非常快速的过程,例如在空间碎片撞击过程中发生的相互作用类型,以加速更耐用材料的开发。
      由于x射线的高能量和短波长,其可以穿过可见光不能透过的材料。尽管可以获得三维 X射线图像,但是当前的方法在应用中受到限制,因为它们需要长时间暴露于有害的X射线中。对于人类来说,来自医学X射线成像的过多辐射会增加癌症风险,这限制了他们使用三维乳腺x线摄影和其他三维X射线技术进行筛查的频率。用于研究材料和生物样品的详细构成的非常高能量的X射线通常也不能使用,因为样品在经过一次曝光后会被破坏。
用x射线进行三维鬼影断层扫描
      由澳大利亚国立大学的Andrew Kingston和法国欧洲同步辐射装置(ESRF)的团队领导的研究人员首次证明,一种非常规成像方法,鬼影成像,可用于获取对可见光不透明的物体内部的三维X射线图像。“由于三维鬼成像可能会显着降低X射线的剂量,这种方法可以通过使对疾病的早期症状进行X射线检查更便宜,从而可以更容易获得并且能够更频繁地进行,从而彻底改变医学成像,”该论文的资深作者,来自澳大利亚莫纳什大学的David Paganin说到,“这将极大地改善包括癌症在内的疾病的早期发现。”
       鬼影成像通过关联两个光束(在这种情况下是X射线光束)来工作,这两个光束不单独携带关于物体的任何有意义的信息。一个光束编码一个随机图案作为参考,而且永远不会直接探测样本。另一光束则通过样品。研究人员通过透过金属泡沫照射明亮的X射线光束,创造出随机的X射线图案,金属泡沫就像金属制成的海绵。他们拍摄了这个随机光束的二维图像,然后通过样本传递了一个非常弱的副本。大面积单像素探测器捕获通过样本的X射线。对多个照射图案和样本-对象取向重复该过程以构建对象的内部结构的3D断层图像。
       作为一个概念验证实验,研究人员在一个直径为5.6毫米的铝圆柱上进行了鬼X射线断层扫描,该铝圆柱包含两个直径小于2.0毫米的孔。研究人员能够制作出具有140万个“体素”(voxels,三维像素术语)的三维图像,分辨率或体素边长为48百万分之一米。
    “X射线影成像,特别是鬼影断层扫描成像,是一个需要进一步探索和发展的全新领域,”Kingston说到,“随着进一步的发展,我们认为X射线鬼影断层扫描会成为更便宜的途径,因此,其更容易获得用于医学成像,工业成像,安全检查和监视的三维 X射线成像仪。”
单次曝光的三维图像
       由Marco Stampanoni领导的瑞士保罗谢勒研究所的研究团队,以及来自德国的Deutsches Elektronen-Synchrotron(DESY)和ESRF的团队,使用高亮度X射线源获取三维图像。他们的新方法使用单次曝光或拍摄来从X射线获得比医院X射线源亮1000亿倍的三维信息。这些光线只能在专门的同步加速器设备上产生。
    “高亮度X射线源对于生物学和材料科学非常有用,因为它们可以探测比其他X射线源更快的过程和更高的分辨率,”该论文的第一作者,DESY的Pablo Villanueva-Perez说到,“由于这些光源的功率可以在单脉冲后破坏样品,因此使用这些光源的全部功率进行的当前三维成像需要多个相同的样本副本。”
       新技术可以在破坏样品之前进行必要的测量以形成三维图像,因此它可用于研究精细生物样本(如活昆虫)的机制或检查完整病毒或蛋白质的内部三维结构。新的单次拍摄方法使用晶体将一个输入的X射线束分成九个光束,同时照射样品。使用面向每个光束记录信息的探测器,研究人员可以在强X射线对样本破坏之前,就获得样本物体的九个不同的二维投影。
       研究人员使用这种方法对飞蛾进行成像,这证明了该研究具有三维微尺度分辨率昆虫力学的可能性,速度范围从微秒到飞秒。该团队还表明,他们可以通过成像金纳米结构实现纳米级分辨率。 “我们希望将我们的技术与欧洲X射线自由电子激光设备的独特功能结合起来,这是第一个以每秒一百万个脉冲的速率提供X射线脉冲的设施,”Villanueva-Perez说,“这可以允许以每秒数百万帧的速度对快速过程进行三维探索。”
       研究人员计划使用他们的单次多投影成像技术来更好地了解昆虫生物力学,这可能激发新的工程设备。他们还想研究新的、更轻的材料,这些材料可能会降低车辆的燃料消耗,并计划检查太空中碎片撞击卫星时发生的快速过程,这可能有助于保护材料的开发。

鬼影x射线断层成像实验装置示意图

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