Ny teknik producerer farverøntgenbilleder hurtigt og effektivt

En ny teknik producerer røntgenbilleder i farve hurtigt og effektivt ved hjælp af en specielt struktureret enhed kaldet en Fresnel zone plate (FZP). Teknikken kunne have anvendelser inden for nuklearmedicin og radiologi, såvel som i ikke-destruktiv industriel testning og materialeanalyse.

Røntgenstråler bruges ofte til at bestemme den kemiske sammensætning af materialer takket være det karakteristiske "fingeraftryk" af fluorescens, som forskellige stoffer udsender, når de udsættes for røntgenlys. På nuværende tidspunkt kræver denne billeddannelsesteknik imidlertid fokusering af røntgenstrålerne og scanning af hele prøven. I betragtning af vanskeligheden ved at fokusere en røntgenstråle ned til små områder, især med typiske laboratorierøntgenkilder, er dette en udfordrende opgave, der gør billeder tidskrævende og dyre at fremstille.

Enkel eksponering og intet behov for fokusering og scanning

Den nye metode, udviklet af Jakob Soltau og kolleger på Institut for røntgenfysik ved universitetet i Göttingen, Tyskland, gør det muligt at få et billede fra et stort prøveområde med kun en enkelt eksponering, samtidig med at behovet for fokusering og scanning fjernes. Deres tilgang bruger et røntgenfarvekamera og en guldbelagt FZP placeret mellem objektet, der afbildes, og detektoren. FZP'er har en struktur af uigennemsigtige og gennemsigtige zoner, som ofte bruges til at fokusere røntgenstråler, men i dette eksperiment var forskerne interesseret i noget andet: den skygge, som FZP'en kaster på detektoren, når prøven er belyst.

Ved at måle intensitetsmønsteret, der når detektoren efter at have passeret gennem FZP, indsamlede forskerne information om fordelingen af ​​atomer i prøven, der fluorescerer ved to forskellige bølgelængder. De afkodede derefter denne distribution ved hjælp af en computeralgoritme.

"Vi kender det sæt af algoritmer, der med fordel kan bruges til dette, meget godt fra fase-hentning i sammenhængende røntgenbilleddannelse," forklarer Soltau. "Vi anvender dette til røntgenfluorescensbilleddannelse ved hjælp af røntgenfarvekameraet i vores eksperiment for at skelne mellem de forskellige energier af de detekterede røntgenfotoner."

Takket være denne fuldfeltstilgang siger forskerne, at kun én billedoptagelse er nok til at bestemme den kemiske sammensætning af en prøve. Mens anskaffelsestiden i øjeblikket er i størrelsesordenen flere timer, håber de at reducere dette i fremtiden.

Potentiale for billeddannelse af biologisk væv

Holdet siger, at den nye teknik har mange potentielle anvendelser. Disse omfatter nuklearmedicin og radiologi; ikke-destruktiv industriel prøvning; materialeanalyse; at bestemme sammensætningen af ​​kemikalier i malerier og kulturelle artefakter for at verificere deres ægthed; analyse af jordprøver eller planter; og test af kvaliteten og renheden af ​​halvlederkomponenter og computerchips. I princippet kunne teknikken også bruges til at afbilde usammenhængende strålingskilder såsom uelastisk røntgenstråle (Compton) og neutronspredning eller gammastråling, hvilket ville være nyttigt til nuklearmedicinske applikationer.

"Som forskergruppe er vi meget interesserede i den tredimensionelle billeddannelse af biologiske væv," fortæller Soltau Fysik verden. "Kombinering tomografisk billeddannelse, for eksempel med en detektor, der optager den transmitterede røntgenstråle for at opnå et kort over elektrontætheden (en teknik kendt som fasekontrastudbredelsesbilleddannelse) med vores nye fuldfelts fluorescensbilleddannelsestilgang ville give os mulighed for at afbilde strukturer og (lokale ) kemiske sammensætninger af prøven i én scanning."

Røntgenmikroskopi skærper op

I denne første demonstration af den nye teknik, som er detaljeret i Optica, opnåede Göttingen-teamet en rumlig opløsning på omkring 35 mikron og et synsfelt på omkring 1 mm². Mens antallet af opløsningselementer, der afbildes parallelt, forbliver relativt lavt, kan dette øges ved at bruge en FZP med mindre zonebredder eller ved at øge prøveområdet, der belyses mod større synsfelter. En anden udfordring vil være at reducere registreringstiderne uden at øge uønsket baggrundsstøj fra elastisk spredt stråling.

Forskerne vil nu gerne prøve deres teknik med synkrotronstråling, som er meget mere intens end det røntgenlys, der findes i de fleste laboratorier. En yderligere fordel er, at synkrotronstråling består af højenergistråler af ladede partikler genereret ved hjælp af elektriske og magnetiske felter, hvilket giver den en smal båndbredde, der skulle give mulighed for højere rumlig opløsning og kortere optagelsestider. Holdet har booket tid d DESYs PETRA III synkrotronstrålelinje juni til dette formål.