Исследователи сообщают о двух новых подходах к созданию трехмерных (3-D) изображений с использованием рентгеновских лучей, которые могут улучшить скрининг болезни, изучить очень быстрые процессы и обеспечить беспрецедентную детализацию свойств материалов и структурной информации непрозрачных объектов.

На фото: Один из созданных компьютером 3D-изображений экспериментального объекта с использованием призрачного образа. Фото: Эндрю Кингстон и его коллеги

Исследователи описывают свои подходы к трехмерному изображению с рентгеновскими лучами в двух статьях в Optica — журнале Optical Society для исследований с высокой отдачей. Один из методов может снизить дозы рентгеновских лучей, необходимые для некоторых видов профилактической медицинской визуализации, например, для выявления рака молочной железы. Другой метод может позволить трехмерное изображение тонких биологических образцов или изучение очень быстрых процессов, таких как типы взаимодействий, которые возникают при ударах космического мусора, для ускорения разработки более прочных материалов.

Из-за их высокой энергии и короткой длины волны рентгеновские лучи могут проходить через материалы, которые не могут видеть видимый свет. Хотя возможно получение трехмерных рентгеновских изображений, текущие подходы ограничены в применении, поскольку они требуют длительного воздействия на повреждение рентгеновских лучей.

У людей слишком много радиации из медицинских рентгеновских изображений может увеличить риск развития рака, что ограничивает, как часто их можно скринировать с помощью трехмерной маммографии и других трехмерных рентгеновских технологий. Очень высокоэнергетические рентгеновские лучи, используемые для изучения детального состава материалов и биологических образцов, часто не могут использоваться, потому что образцы будут уничтожены после одного воздействия.

3-D призрачная томография с рентгеновскими лучами

Исследователи во главе с Эндрю Кингстоном из Австралийского национального университета вместе с командой Европейского синхротронного радиационного фонда (ESRF) во Франции впервые продемонстрировали, что нетрадиционный подход к визуализации, известный как изображение призрака, может быть использован для получения трехмерного рентгеновского снимка, лучевые изображения внутренних объектов, непрозрачных для видимого света.

«Из-за возможности значительно более низких доз рентгеновских лучей с трехмерным изображением призрак, этот подход может революционизировать медицинскую визуализацию, сделав рентгеновский скрининг на ранние признаки болезни намного дешевле, более доступным и способным быть предпринятым гораздо больше часто », — сказал старший автор газеты Дэвид Паганин из Университета Монаш, Австралия. «Это значительно улучшит раннее выявление заболеваний, включая раковые заболевания».

Призрачная визуализация работает путем сопоставления двух лучей — в данном случае рентгеновских лучей — которые не имеют индивидуальной несущественной информации об объекте. Один пучок кодирует случайный шаблон, который действует как ссылка и никогда напрямую не исследует образец. Другой луч проходит через образец.

Доктор Эндрю Кингстон в лаборатории

Доктор Эндрю Кингстон в лаборатории. Фото: ANU

Исследователи создали случайные рентгеновские снимки, блестящим ярким лучом рентгеновского излучения через металлическую пенопласт, которая похожа на губку из металла. Они взяли двумерный образ этого случайного пучка, а затем пропустили очень слабую копию этого образца. Детектор с одним пикселем большой площади захватил рентгеновское излучение, прошедшее через образец. Процесс был повторен для множественных осветительных узоров и ориентаций образца-объекта для построения трехмерного томографического изображения внутренней структуры объекта.

В качестве эксперимента с доказательством концепции исследователи провели призрачную рентгеновскую томографию на алюминиевом цилиндре диаметром 5,6 мм и содержали два отверстия диаметром менее 2,0 миллиметра. Они могли создавать трехмерные изображения с 1,4 миллионами «вокселей» — термин для трехмерных пикселей — с разрешением или длиной вокселя 48 миллионных долей метра.

«Призрачная рентгенография рентгеновских лучей, особенно призрачная томография, — совершенно новая область, которую нужно исследовать и развивать гораздо дальше», — сказал Кингстон. «С большим развитием мы представляем призрачную рентгеновскую томографию как путь к более дешевым и, следовательно, гораздо более доступным трехмерным рентгеновским изображениям для медицинской визуализации, промышленной визуализации, скрининга и наблюдения за безопасностью».

Трехмерные изображения с одной экспозиции

Исследовательская группа из Института Пола Шеррера в Швейцарии во главе с Марко Стампанони вместе с командой из Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) в Германии и ESRF приобрела трехмерные изображения с использованием источников рентгеновского излучения с высокой яркостью. В их новом подходе используется однократное облучение или выстрел для получения трехмерной информации от рентгеновских лучей в сто миллиардов раз ярче, чем источник рентгеновского облучения в больнице. Лучи можно производить только на специализированных синхротронных объектах.

Настройка для эксперимента 3D-рентгеновского призрачного воображения

Настройка для эксперимента 3D-рентгеновского призрачного воображения команды. Фото: Эндрю Кингстон и его коллеги
«Высококачественные рентгеновские источники весьма полезны для биологии и материаловедения, потому что они могут исследовать более быстрые процессы и более высокие разрешения, чем другие источники рентгеновского излучения», — сказал первый автор статьи Пабло Вильянуэва-Перес из DESY , «Поскольку мощность этих источников может разрушить образец после одного импульса, текущее трехмерное изображение с использованием полной мощности этих источников требует нескольких идентичных копий образца».

Новая методика может сделать измерения необходимыми для формирования трехмерного изображения перед уничтожением образца, поэтому он может быть полезен для изучения механики тонких биологических образцов, таких как живые насекомые, или изучения внутренней трехмерной структуры интактных вирусов или белков ,

Новый подход с одним выстрелом использует кристалл для разделения одного входящего рентгеновского луча на девять пучков, которые одновременно освещают образец. Использование детекторов, ориентированных на запись информации из каждого луча, позволяет исследователям сразу же получить девять различных двумерных проекций образца объекта до того, как они будут уничтожены интенсивными лучами рентгеновского зонда.

Исследователи использовали подход к изображению моли, который продемонстрировал потенциал для изучения механики насекомых с трехмерным микромасштабным разрешением на скоростях от микросекунд до фемтосекунд. Они также показали, что они могут достигать наноразмерного разрешения путем визуализации наноструктуры золота.

«Мы хотели бы объединить нашу технику с уникальными возможностями Европейского рентгеновского бесплатного электронного лазерного оборудования, первого объекта для доставки импульсов рентгеновского излучения со скоростью миллион импульсов в секунду», — сказал Вильянуэва-Перес. «Это может позволить трехмерные исследования быстрых процессов со скоростью миллионов кадров в секунду».

Исследователи планируют использовать технологию однократного мультипроекционного изображения для лучшего понимания биомеханики насекомых, что может вдохновить новые инженерные установки. Они также хотят изучать новые, более легкие материалы, которые могут снизить расход топлива для транспортных средств и планируют изучить быстрые процессы, которые происходят, когда космический мусор поражает спутники, что может способствовать разработке защитных материалов.

По материалам phys.org