Forskare har visat en ny högupplöst röntgenbildteknik som kan fånga rörelse av snabbt rörliga föremål och snabbt förändrade dynamik. Den nya metoden kan användas för icke-destruktiv avbildning av rörliga mekaniska komponenter och för att fånga biologiska processer som inte tidigare varit tillgängliga med medicinsk röntgenbildning.

"Tekniken vi visade kan användas med valfri röntgenkälla, plus att det är låg kostnad, enkelt och robust, "sade forskargruppens ledare Sharon Shwartz från Bar-Ilan University i Israel." Således det öppnar möjligheten att använda röntgenstrålar för att mäta snabb dynamik utanför labbet. "

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskarna beskriver sin nya metod för röntgenbildning, som använder en icke-traditionell avbildningsmetod som kallas spökbildning för att uppnå snabba bildhastigheter med hög rumslig upplösning. De demonstrerar tekniken genom att skapa en röntgenfilm av ett blad som roterar vid 100, 000 bilder per sekund.

"Medicinska bildsystem baserade på denna teknik kan erbjuda ett nytt diagnostiskt verktyg för läkare, "sa Shwartz." Vår strategi kan, till exempel, användas för att få högupplösta filmer av hjärtat samtidigt som strålningsdosen för patienter minskar kraftigt. "

Att se genom ytor

Röntgenstrålar är användbara för avbildning på grund av deras unika förmåga att penetrera ytor som är ogenomskinliga för synliga våglängder. Traditionell röntgenbildning använder vanligtvis en pixelerad kamera med varje pixel som mäter intensitetsnivån för röntgenstrålen vid en specifik position.

Att ta röntgenbilder med högre upplösning kräver fler pixlar, som, i tur och ordning, skapar enorma mängder data som tar tid att överföra. Detta skapar en avvägning mellan bildhastighet och rumslig upplösning som gör det omöjligt att fånga höghastighetshändelser med hög upplösning. Även om mycket specialiserade tekniker som involverar extremt kraftfulla röntgenstrålar kan övervinna denna avvägning, dessa röntgenkällor är endast tillgängliga vid stora synkrotroner som finns på några få anläggningar runt om i världen.

I det nya arbetet, forskarna vände sig till spökbildning eftersom den använder en-pixeldetektorer som kan förbättra bildhastigheten. 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. Eftersom mycket lite röntgenkraft kommer i kontakt med objektet som avbildas, spökbildning kan också hjälpa till att minska röntgenexponeringen när den används för medicinsk bildbehandling.

"Även om en-pixeldetektorer kan vara mycket snabbare än pixelerade detektorer, de ger inte den rumsliga upplösning som krävs för bildrekonstruktion, "sa Shwartz." Vi använde spökbilder för att övervinna detta problem och visade att vi kan avbilda snabb dynamik med rumslig upplösning som är jämförbar med eller ännu bättre än de toppmoderna röntgenpixlade detektorerna. "

En enkel lösning

För att skapa den referensstråle som behövs för spökbildning, forskarna använde vanligt sandpapper monterat på motoriserade scener för att skapa ett slumpmässigt mönster som spelades in med hög upplösning, långsam framerate pixelerad röntgenkamera. När scenen flyttades till varje position, röntgenstrålen träffade ett annat område av sandpapper, skapa slumpmässiga röntgenöverföringar, eller intensitetsfluktuationer.

De tog sedan bort den pixelerade kameran från röntgenstrålen och satte in objektet som ska avbildas och en en-pixeldetektor. De flyttade de motoriserade stadierna för att bestråla föremålet med intensitetsfluktuationsmönstren införda på sandpapprets olika positioner och mätte sedan den totala intensiteten efter att strålen träffade objektet med hjälp av enpixeldetektorn.

För att använda detta tillvägagångssätt för att avbilda ett blad i snabb rörelse, forskarna synkroniserade mätningarna med bladets rörelse. En slutlig bild kan sedan rekonstrueras genom att korrelera referensmönstret med intensiteten uppmätt av enpixeldetektorn för varje position av bladet.

Forskarna skapade en film av det rörliga bladet genom att utföra bildrekonstruktion bild för bild för att fånga bladet vid olika positioner. Den resulterande filmen visar tydligt rörelsen med en rumslig upplösning på cirka 40 mikron - nästan en storleksordning bättre än upplösningen för nuvarande tillgängliga medicinska bildsystem.

Forskarna fortsätter att göra förbättringar av det övergripande systemet såväl som bildrekonstruktionsalgoritmen för att förbättra upplösningen och förkorta mättiden.