I ricercatori segnalano due nuovi approcci alla produzione di immagini tridimensionali (3D) utilizzando i raggi X che potrebbero migliorare lo screening delle malattie, studio di processi molto veloci e consentono l'analisi delle proprietà dei materiali e delle informazioni strutturali di oggetti opachi con dettagli senza precedenti.

I ricercatori descrivono i loro approcci all'imaging 3D con i raggi X in due articoli in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto. Un metodo potrebbe ridurre le dosi di raggi X necessarie in alcuni tipi di imaging medico preventivo, come lo screening del cancro al seno. L'altro metodo potrebbe consentire l'imaging 3D di campioni biologici delicati o lo studio di processi molto veloci, come i tipi di interazioni che si verificano durante gli impatti spazio-detriti, per accelerare lo sviluppo di materiali più durevoli.

A causa della loro alta energia e lunghezza d'onda corta, I raggi X possono attraversare materiali che la luce visibile non può. Sebbene sia possibile ottenere immagini radiografiche 3D, gli approcci attuali sono limitati nell'applicazione perché richiedono esposizioni prolungate a raggi X dannosi.

Negli umani, troppe radiazioni dall'imaging medico a raggi X possono aumentare il rischio di cancro, che limita la frequenza con cui possono essere sottoposti a screening con la mammografia 3D e altre tecnologie a raggi X 3D. I raggi X ad altissima energia utilizzati per studiare la composizione dettagliata di materiali e campioni biologici spesso non possono essere utilizzati perché i campioni verrebbero distrutti dopo un'esposizione.

Tomografia fantasma 3D con raggi X

I ricercatori guidati da Andrew Kingston dell'Australian National University insieme a un team presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Francia hanno dimostrato per la prima volta che l'approccio di imaging non convenzionale noto come ghost imaging può essere utilizzato per ottenere 3-D X- immagini a raggi dell'interno di oggetti opachi alla luce visibile.

"A causa del potenziale per dosi significativamente più basse di raggi X con l'imaging fantasma 3D, questo approccio potrebbe rivoluzionare l'imaging medico rendendo molto più economico lo screening a raggi X per i primi segni di malattia, più prontamente disponibili e in grado di essere intraprese molto più spesso, " ha detto l'autore senior del giornale, David Paganin, dell'Università di Monash, Australia. "Ciò migliorerebbe notevolmente la diagnosi precoce di malattie, compresi i tumori".

L'imaging fantasma funziona correlando due raggi:in questo caso, Fasci di raggi X, che singolarmente non trasportano alcuna informazione significativa sull'oggetto. Un raggio codifica uno schema casuale che funge da riferimento e non sonda mai direttamente il campione. L'altro raggio passa attraverso il campione.

I ricercatori hanno creato modelli di raggi X casuali facendo brillare un raggio luminoso di raggi X attraverso una schiuma metallica, che è come una spugna di metallo. Hanno preso un'immagine 2-D di questo raggio casuale, e poi ne ha passato una copia molto debole attraverso il campione. Un rivelatore a pixel singolo di ampia area ha catturato i raggi X che sono passati attraverso il campione. Il processo è stato ripetuto per più schemi illuminanti e orientamenti dell'oggetto campione per costruire un'immagine tomografica 3D della struttura interna dell'oggetto.

Come esperimento di prova del concetto, i ricercatori hanno eseguito la tomografia a raggi X fantasma su un cilindro di alluminio con un diametro di 5,6 millimetri e contenente due fori di diametro inferiore a 2,0 millimetri. Sono stati in grado di produrre immagini 3D con 1,4 milioni di "voxel", un termine per pixel 3D, con una risoluzione, o voxel lato lunghezza, di 48 milionesimi di metro.

"Imaging fantasma a raggi X, in particolare la tomografia fantasma, è un campo completamente nuovo che deve essere esplorato e sviluppato molto ulteriormente, " ha detto Kingston. "Con più sviluppo, immaginiamo la tomografia a raggi X fantasma come una via per un più economico e, perciò, macchine di imaging a raggi X 3D molto più facilmente disponibili per l'imaging medico, immagini industriali, screening e sorveglianza di sicurezza".

Immagini 3D da una singola esposizione

Un gruppo di ricerca dell'Istituto Paul Scherrer in Svizzera, guidato da Marco Stampanoni, insieme a un team del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Germania e dell'ESRF, immagini 3D acquisite utilizzando sorgenti di raggi X ad alta brillantezza. Il loro nuovo approccio utilizza una singola esposizione, o sparato, ottenere informazioni 3D dai raggi X cento miliardi di volte più luminosi di una sorgente di raggi X ospedaliera. I raggi possono essere prodotti solo in strutture di sincrotrone specializzate.

"Le sorgenti di raggi X ad alta brillantezza sono molto utili per la biologia e la scienza dei materiali perché possono sondare processi più veloci e risoluzioni più elevate rispetto ad altre sorgenti di raggi X, ", ha affermato il primo autore del documento Pablo Villanueva-Perez di DESY. "Poiché la potenza di queste fonti può distruggere il campione dopo un singolo impulso, l'attuale imaging 3D che utilizza tutta la potenza di queste fonti richiede più copie identiche di un campione".

La nuova tecnica può effettuare le misurazioni necessarie per formare un'immagine 3D prima di distruggere il campione, quindi potrebbe essere utile per studiare la meccanica di campioni biologici delicati come insetti viventi o esaminare la struttura interna 3-D di virus o proteine ​​intatte.

Il nuovo approccio single-shot utilizza un cristallo per dividere un raggio di raggi X in ingresso in nove raggi che illuminano simultaneamente il campione. L'utilizzo di rilevatori orientati a registrare informazioni da ciascun raggio consente ai ricercatori di acquisire contemporaneamente nove diverse proiezioni 2-D di un oggetto campione prima che venga distrutto dagli intensi raggi della sonda a raggi X.

I ricercatori hanno utilizzato l'approccio per l'immagine di una falena, che ha dimostrato il potenziale per lo studio della meccanica degli insetti con risoluzione su microscala 3D a velocità che vanno dai microsecondi ai femtosecondi. Hanno anche dimostrato di poter ottenere una risoluzione su scala nanometrica mediante l'imaging di una nanostruttura d'oro.

"Vorremmo combinare la nostra tecnica con le capacità uniche dell'European X-Ray Free-Electron Laser Facility, la prima struttura in grado di fornire impulsi a raggi X alla velocità di un milione di impulsi al secondo, " ha affermato Villanueva-Perez. "Questo potrebbe consentire l'esplorazione 3D di processi veloci a velocità di milioni di fotogrammi al secondo".

I ricercatori intendono utilizzare la loro tecnica di imaging multiproiezione a scatto singolo per comprendere meglio la biomeccanica degli insetti, che potrebbe ispirare nuove configurazioni ingegneristiche. Vogliono anche studiare di nuovo, materiali più leggeri che potrebbero ridurre il consumo di carburante per i veicoli e pianificare di esaminare i processi veloci che si verificano quando i detriti spaziali colpiscono i satelliti, che potrebbe favorire lo sviluppo di materiali protettivi.