Forskare har utvecklat en röntgenteknik som kan producera detaljerade bilder av levande organismer med en mycket lägre röntgendos än vad som tidigare varit möjligt. Framstegen gör att små organismer eller andra känsliga prover kan studeras med hög upplösning under mycket längre perioder, vilket kan avslöja nya insikter om en mängd olika dynamiska processer.
Tillvägagångssättet är baserat på faskontrastavbildning, som inte bara bygger på absorptionen av röntgenstrålar i ett prov, utan också på röntgenstrålningens vågegenskaper. Närmare bestämt skapar den bilder från fasförändringar som inträffar när röntgenstrålar går genom ett prov.
"Tidigare var mikrometerupplösning röntgenfaskontrastavbildning av levande organismer endast möjlig under några sekunder upp till minuter eftersom allvarliga strålskador skulle uppstå", förklarade forskarteamets medlem Rebecca Spiecker från Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. "Vi minskade den nödvändiga röntgendosen genom att övervinna de nuvarande begränsningarna för högupplöst bildbehandling för doskänsliga applikationer."
I tidskriften Optica , beskriver forskarna hur de utvecklade ett nytt röntgenavbildningssystem som använder dedikerad högeffektiv röntgenoptik och singelfotonräknande detektorer för att öka doseffektiviteten för fullfältsavbildning vid mikrometerupplösning. De visade fördelen med den nya tekniken genom att avbilda små parasitoidgetingar som dyker upp från sina värdägg i mer än 30 minuter.
"Vi visar att vår metod uppvisar överlägsen bildprestanda jämfört med en konventionell högupplöst detektor", säger Spiecker. "Detta kan till exempel vara användbart för att fånga detaljer om utvecklingen och beteendet hos små modellorganismer, som Xenopus-grodembryon, över en längre tidsskala än vad som är möjligt för närvarande."
Röntgen kan avslöja dolda strukturer och processer i levande organismer. Men det utsätter också organismer för strålning som är skadlig vid höga doser, vilket begränsar hur länge observationer kan pågå innan skador uppstår. Detta förvärras av det faktum att detekteringseffektiviteten hos vanliga högupplösta detektorer minskar med ökande upplösning, vilket gör att ännu högre röntgendoser krävs för att få en högupplöst bild.
För att övervinna denna utmaning utvecklade forskarna en faskontrastavbildningsmetod som direkt förstorar röntgenbilden snarare än att konvertera röntgenbilden till en bild med synligt ljus och sedan förstora den, vilket är den typiska metoden. Detta gjorde det möjligt för dem att använda högeffektiva storarea detektorer samtidigt som mikrometerns rumsliga upplösning bibehölls.
I det nya avbildningssystemet använde forskarna en bilddetektor med en enda fotonräkning med en pixelstorlek på 55 mikron. Röntgenbilden förstoras bakom provet med hjälp av kristalloptik, känd som en Bragg-förstorare. Den senare består av två perfekta kiselkristaller för att utföra förstoring.
"För att uppnå högsta möjliga doseffektivitet för fullfältsröntgenbilder vid mikrometerupplösning, kombinerar vi röntgenfaskontrast, en Bragg-förstorare och en enfotonräkningsdetektor, allt optimerat för en optimal röntgenenergi på 30 keV", sa Spiecker. "Konceptet med Bragg-förstorare går tillbaka till slutet av 1970-talet, och även om deras potential för att öka doseffektiviteten har noterats, har det inte undersökts förrän nu."
Efter att ha visat att deras nya system kunde uppnå en doseffektivitet på mer än 90 % samtidigt som de ger en upplösning på upp till 1,3 mikron, jämförde forskarna dess prestanda med ett konventionellt högupplöst detektorsystem som använder samma prov, röntgenfluens och 30 keV röntgenenergi.
"Vid denna energi visade vi att detektivkvanteffektiviteten i vårt system överstiger det konventionella systemet med över två storleksordningar för de relevanta högupplösta komponenterna i bilden," sa Spiecker. "Detta resulterar i bättre bilder och möjliggör en drastisk minskning av röntgendosen i provet."
Forskarna använde sedan systemet för att utföra en pilotbeteendestudie på levande parasitoidgetingar, som ofta används för biologisk skadedjursbekämpning. Tack vare den minimala strålningsexponeringen kunde de ta bilder av de små getingarna inuti sina värdägg i 30 minuter innan getingarna slutligen dök upp.
Forskarna säger att metoden också kan vara användbar för biomedicinska applikationer, såsom skonsam tomografisk undersökning av biopsiprover. Men att använda en Bragg-förstoringsglas kräver en monokromatisk, koherent och kollimerad stråle, som är tillgänglig på röntgensynkrotronanläggningar. De fortsätter också att förbättra systemet för att uppnå ett större synfält och ökad långsiktig mekanisk stabilitet för ännu längre mättider.
Mer information: Rebecca Spiecker et al, Doseffektiv in vivo röntgenfaskontrastbild vid mikrometerupplösning, Optica (2023). DOI:10.1364/OPTICA.500978
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av Optica
