Um laboratório

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8707 (2023) Citar este artigo

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Rastreamento de feixe X-ray Phase Contrast Imaging é uma abordagem do tipo "Shack-Hartmann" que usa uma máscara de pré-amostra para dividir os raios-x em "beamlets" que são interrogados por um detector com resolução suficiente. A resolução espacial final é determinada pelo tamanho das aberturas da máscara, no entanto, atingir esse nível de resolução requer "escalonar" a amostra ou a máscara em incrementos iguais ao tamanho da abertura ("dithering"). Se uma matriz de aberturas circulares for usada (que também fornece sensibilidade de fase bidimensional) em vez de longas fendas paralelas, esse passo precisa ser realizado em duas direções, o que aumenta significativamente os tempos de varredura. Apresentamos um projeto de máscara obtido pelo deslocamento de linhas de aberturas circulares, permitindo sensibilidade bidimensional e resolução isotrópica enquanto requer amostra ou máscara passando em apenas uma direção. Apresentamos imagens de fantomas personalizados e espécimes biológicos, demonstrando que a recuperação de fase quantitativa e as resoluções espaciais quase limitadas pela abertura são obtidas em duas direções ortogonais.

O contraste em imagens de raios X convencionais depende da atenuação dos raios X que passam pela matéria; a tomografia computadorizada (TC) de raios X convencional fornece informações sobre a estrutura interna dos materiais em três dimensões com base no sinal de atenuação1. Tanto os raios X planares (radiografia) quanto a TC são usados ​​rotineiramente em uma variedade de aplicações, incluindo medicina e ciência de materiais. No entanto, eles sofrem de baixo contraste nos casos em que a amostra é fracamente atenuada (por exemplo, tecido biológico) e/ou consiste em vários materiais com atenuação semelhante.

A superação das limitações da imagem de raios X baseada em atenuação tem sido objeto de extensa pesquisa nas últimas décadas. Uma abordagem é utilizar, na formação da imagem, o deslocamento de fase que os raios X experimentam ao passar pela matéria, o que dá origem a efeitos de refração (o ângulo de refração é proporcional à primeira derivada do deslocamento de fase2,3). A imagem de contraste de fase de raios X (XPCI) e a tomografia (XPC-CT) são técnicas poderosas que apresentam muitas vantagens sobre os métodos baseados em atenuação; em particular, eles permitem um contraste significativamente maior4. Isso resulta em um aumento na relação contraste-ruído (CNR) para as mesmas estatísticas de raios X detectadas, permitindo que detalhes que são invisíveis para imagens de raios X convencionais sejam detectados e materiais diferentes sejam mais facilmente discriminados. Além disso, o contraste baseado em fase pode ser mantido em altas energias de raios X, o que reduz a quantidade de dose depositada na amostra3,5, uma vantagem particularmente útil em imagens biomédicas.

As técnicas de imagem que exploram a fase de raios-x na formação da imagem incluem métodos de imagem baseados em propagação6, métodos de imagem baseados em analisador7, métodos de imagem baseados em speckle8, métodos interferométricos baseados em cristal9, métodos interferométricos baseados em grade10 e métodos não interferométricos baseados em grade11 . Esses métodos usam diferentes configurações experimentais para gerar sensibilidade de fase e, consequentemente, seus requisitos muito em termos de coerência espacial e temporal do feixe de raios-x. Algumas tentativas de comparar quantitativamente diferentes métodos XPCI foram feitas no passado12,13,14.

O assunto deste artigo é um método de imagem não interferométrico baseado em grade. Esta categoria de métodos emprega moduladores, tipicamente máscaras com septos de absorção e transmissão alternados, a montante da amostra, que estruturam o feixe de raios X em uma matriz de feixes com sobreposição mútua insignificante. A atenuação e a refração da amostra levam então a uma redução de intensidade e a um deslocamento lateral dos feixes, respectivamente. A sensibilidade a este último é obtida usando uma segunda máscara no detector (iluminação de borda11) ou um detector com um tamanho de pixel suficientemente pequeno para resolver individualmente os beamlets (rastreamento de feixe15). Embora o requisito para detectores de tamanho de pixel pequeno limite seu campo de visão, o rastreamento de feixe tem a vantagem significativa de que os sinais de atenuação e refração são recuperados de um único quadro. Deve-se notar aqui que ambos os mecanismos de detecção, iluminação de borda e rastreamento de feixe, permitem também a recuperação do sinal de campo escuro (espalhamento de pequeno ângulo); no entanto, isso foi considerado além do escopo deste trabalho, que se concentra na varredura unidirecional permitida por um novo design de máscara. Inicialmente, testamos o rastreamento de feixe XPCI com radiação síncrotron16 e depois o traduzimos para uma configuração de laboratório15; em ambos os casos, a sensibilidade de fase unidimensional foi obtida usando uma máscara com longas fendas paralelas. Essa técnica foi desenvolvida para CT17,18, para sensibilidade de fase bidimensional usando uma máscara com aberturas redondas19,20 e combinando esses dois avanços com radiação síncrotron21 e em um laboratório compacto set-up22. Deve-se notar que a resolução direta de uma matriz de beamlets com um detector com resolução suficiente compartilha semelhanças com o sensor de frente de onda Shack-Hartman (que, no entanto, usa lentes) e, de fato, outros grupos desenvolveram conceitos semelhantes, mesmo anteriormente em23,24.