Forskare rapporterar två nya tillvägagångssätt för att producera tredimensionella (3-D) bilder med hjälp av röntgenstrålar som kan förbättra sjukdomsscreening, studera mycket snabba processer och möjliggöra analys av materialegenskaper och strukturinformation för ogenomskinliga föremål med aldrig tidigare skådade detaljer.

Forskarna beskriver deras tillvägagångssätt för 3D-avbildning med röntgenstrålar i två papper i Optica , The Optical Society's journal for high-impact research. En metod kan minska röntgendoser som behövs vid vissa typer av förebyggande medicinsk bildbehandling, såsom screening av bröstcancer. Den andra metoden kan tillåta 3D-avbildning av känsliga biologiska prover eller studera mycket snabba processer, till exempel de typer av interaktioner som uppstår under rymdskräp, för att påskynda utvecklingen av mer hållbara material.

På grund av deras höga energi och korta våglängd, Röntgenstrålar kan passera genom material som synligt ljus inte kan. Även om det är möjligt att få 3D-röntgenbilder, nuvarande tillvägagångssätt är begränsade i tillämpning eftersom de kräver långvarig exponering för skadliga röntgenstrålar.

I människor, för mycket strålning från medicinsk röntgenbildning kan öka cancerrisken, vilket begränsar hur ofta de kan screenas med 3D-mammografi och annan 3D-röntgenteknik. Röntgenstrålar med mycket hög energi som används för att studera detaljerad sammansättning av material och biologiska prover kan ofta inte användas eftersom proverna skulle förstöras efter en exponering.

3D-spöketomografi med röntgen

Forskare under ledning av Andrew Kingston från Australian National University tillsammans med ett team vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike har för första gången visat att den okonventionella bildmetoden som kallas spökbildning kan användas för att få 3D-X strålbilder av det inre av föremål som är ogenomskinliga för synligt ljus.

"På grund av potentialen för betydligt lägre doser av röntgenstrålar med 3D-spökbilder, detta tillvägagångssätt kan revolutionera medicinsk bildbehandling genom att göra röntgenundersökning för tidiga tecken på sjukdom mycket billigare, lättare tillgänglig och kan genomföras mycket oftare, "sa tidningens seniorförfattare, David Paganin, från Monash University, Australien. "Detta skulle avsevärt förbättra tidig upptäckt av sjukdomar inklusive cancer."

Ghost imaging fungerar genom att korrelera två strålar - i det här fallet, Röntgenstrålar-som inte individuellt bär någon meningsfull information om objektet. En stråle kodar för ett slumpmässigt mönster som fungerar som en referens och aldrig sonderar provet direkt. Den andra strålen passerar genom provet.

Forskarna skapade slumpmässiga röntgenmönster genom att lysa en stark stråle av röntgenljus genom ett metallskum, som är som en svamp av metall. De tog en 2-D-bild av denna slumpmässiga stråle, och skickade sedan en mycket svag kopia av den genom provet. En stor pixel detektor tog stora röntgenstrålar som passerade genom provet. Processen upprepades för flera belysande mönster och provobjektorienteringar för att konstruera en 3D-tomografisk bild av objektets inre struktur.

Som ett proof-of-concept-experiment, forskarna utförde röntgentomografi på en aluminiumcylinder med en diameter på 5,6 millimeter och innehöll två hål med en diameter mindre än 2,0 millimeter. De kunde producera 3D-bilder med 1,4 miljoner "voxels"-en term för 3D-pixlar-med en upplösning, eller voxelsidlängd, på 48 miljoner av en meter.

"Röntgenspöke, särskilt spöketomografi, är ett helt nytt område som måste utforskas och utvecklas mycket längre, "sa Kingston." Med mer utveckling, vi ser för oss spöken röntgentomografi som en väg till billigare och, därför, mycket mer lättillgängliga 3D-röntgenmaskiner för medicinsk bildbehandling, industriell avbildning, säkerhetskontroll och övervakning. "

3D-bilder från en enda exponering

Ett forskargrupp från Paul Scherrer -institutet i Schweiz, ledd av Marco Stampanoni, tillsammans med ett team från Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Tyskland och ESRF, förvärvat 3D-bilder med röntgenkällor med hög briljans. Deras nya tillvägagångssätt använder en enda exponering, eller sköt, för att få 3D-information från röntgenstrålar hundra miljarder gånger ljusare än en röntgenkälla från sjukhuset. Strålarna kan endast produceras på specialiserade synkrotronanläggningar.

"Röntgenkällor med hög briljans är ganska användbara för biologi och materialvetenskap eftersom de kan undersöka snabbare processer och högre upplösningar än andra röntgenkällor, "sa tidningens första författare Pablo Villanueva-Perez från DESY." Eftersom kraften i dessa källor kan förstöra provet efter en enda puls, nuvarande 3D-avbildning med full effekt av dessa källor kräver flera identiska kopior av ett prov. "

Den nya tekniken kan göra mätningarna nödvändiga för att bilda en 3D-bild innan provet förstörs, så det kan vara användbart för att studera mekaniken i känsliga biologiska prover som levande insekter eller undersöka den inre 3D-strukturen hos intakta virus eller proteiner.

Den nya metoden för enkelskott använder en kristall för att dela en inkommande röntgenstråle i nio strålar som samtidigt belyser provet. Genom att använda detektorer orienterade för att registrera information från varje stråle kan forskare skaffa genast nio olika 2-D-projektioner av ett provobjekt innan det förstörs av de intensiva röntgensondstrålarna.

Forskarna använde tillvägagångssättet för att avbilda en mal, som demonstrerade potentialen för att studera insektsmekanik med 3D-mikroskalaupplösning vid hastigheter som sträcker sig från mikrosekunder till femtosekunder. De visade också att de kunde uppnå nanoskalaupplösning genom att avbilda en guldnanostruktur.

"Vi skulle vilja kombinera vår teknik med de unika möjligheterna i den europeiska röntgenfrielektronlaseranläggningen, den första anläggningen för att leverera röntgenpulser med en hastighet av en miljon pulser per sekund, "sa Villanueva-Perez." Detta kan möjliggöra 3D-undersökning av snabba processer med hastigheter på miljoner bilder per sekund. "

Forskarna planerar att använda sin single-shot multi-projection imaging teknik för att bättre förstå insektsbiomekanik, som kan inspirera till nya konstruktioner. De vill också studera nytt, lättare material som kan sänka bränsleförbrukningen för fordon och planerar att undersöka de snabba processer som uppstår när rymdskräp träffar satelliter, som kan hjälpa utvecklingen av skyddsmaterial.