Forskare från Stony Brook University har använt en ny teknik vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science, belägen vid Brookhaven National Laboratory, att svara på långvariga frågor inom medicinsk bildbehandling.

Forskargruppen använde individuella röntgenstrålar för att karakterisera fysiken för hur ljus rör sig i scintillatorer - en komponent i röntgendetektorer - för allra första gången. Deras resultat kan hjälpa utvecklingen av effektivare röntgendetektorer för förbättrade medicinska diagnoser.

Röntgenbild är en utbredd teknik för att se materiens inre strukturer. Inom det medicinska området, Röntgenbild används för att generera bilder av kroppens inre struktur för diagnostiska och interventionella ändamål. Metoden fungerar genom att projicera röntgenstrålar genom en patient och fånga dem med en röntgendetektor för att producera en "skuggbild" av patientens kropp. Även om röntgenbilder fungerar på liknande sätt i alla dess applikationer, det utgör ett distinkt problem för den medicinska industrin.

"Det finns konkurrerande utmaningar inom medicinsk röntgenbilder, sade Adrian Howansky, en Ph.D. kandidat vid SBU:s Health Sciences Center. "Du vill upptäcka så många röntgenstrålar som möjligt för att producera en bild av hög kvalitet och göra den bästa diagnosen, men du måste också begränsa antalet röntgenbilder du tar genom patienten för att minimera säkerhetsrisken."

Röntgenstrålar kan vara skadliga för patienter om de tas i stora eller flera doser. Det är därför SBU-teamet försökte optimera röntgendetektorer genom att förstå fysiken i hur de fungerar. Om de kunde definiera exakt hur dessa detektorer producerar en bild, teamet kunde identifiera metoder för att förbättra bilderna utan att öka antalet röntgenstrålar som skickas genom patienten. Att göra detta, forskarna studerade den mest avgörande komponenten i röntgendetektorn, kallas scintillatorn. Detta material, vars tjocklek kan vara så lite som 200 mikrometer, är ansvarig för att absorbera röntgenstrålar och förvandla dem till skurar av synligt ljus.

"Fram till vårt experiment här på NSLS-II, ingen har kunnat exakt beskriva hur ljus rör sig i scintillatorer för att bilda en bild, sa Howansky.

Vad forskarna visste är att när ljus studsar runt en scintillator innan det upptäcks, den ger "oskärpa" som minskar bildupplösningen. Slumpmässiga variationer i den oskärpan kan också bidra med ytterligare brus till röntgenbilden. Om detta fenomen direkt kunde observeras och förstås, forskare kunde identifiera sätt att förbättra prestandan hos röntgendetektorer och kvaliteten på de bilder de producerar – och minska antalet röntgenstrålar som behövs för att göra användbara bilder.

SBU-teamet sökte efter källorna till detta brus genom att analysera olika typer av scintillatorer vid beamline 28-ID-2 vid NSLS-II. Med hjälp av ett nytt tillvägagångssätt, forskarna avbildade individuella röntgenstrålar vid kända punkter i scintillatorn för att eliminera störande faktorer.

"Genom att placera enstaka röntgenstrålar på exakta djup inuti scintillatorerna, vi kunde karakterisera exakt hur ljus sprids och samlas in från olika ursprungspunkter. Detta gör att vi kan lokalisera varje bruskälla i bilderna som scintillatorer gör, Howansky sa. "Vi är den första gruppen som direkt kan mäta detta fenomen på grund av resurserna vid NSLS-II."

Rick Lubinsky, biträdande forskarprofessor i radiologi vid SBU, sa, "Det är otroligt vad vi kan göra med hjälp av strållinjeforskare vid NSLS-II. De skapade den perfekta röntgenstrålen för vår forskning - precis rätt energinivå och precis rätt form. Strålen var så tunn att vi kunde faktiskt flytta den upp och ner inuti scintillatorn och lösa det som hände. Ljusstyrkan och intensiteten hos strålen är otrolig."