I ricercatori hanno dimostrato una nuova tecnica di imaging a raggi X ad alta risoluzione in grado di catturare il movimento di oggetti in rapido movimento e dinamiche che cambiano rapidamente. Il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato per l'imaging non distruttivo di componenti meccanici in movimento e per catturare processi biologici non precedentemente disponibili con l'imaging medico a raggi X.

"La tecnica che abbiamo dimostrato può essere utilizzata con qualsiasi sorgente di raggi X, inoltre è a basso costo, semplice e robusto, ", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Sharon Shwartz della Bar-Ilan University in Israele. "Così, apre la possibilità di utilizzare i raggi X per misurare le dinamiche veloci al di fuori del laboratorio".

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori descrivono il loro nuovo approccio di imaging a raggi X, che utilizza un metodo di imaging non tradizionale noto come imaging fantasma per ottenere velocità di imaging elevate con un'elevata risoluzione spaziale. Dimostrano la tecnica creando un filmato a raggi X di una lama che ruota a 100, 000 fotogrammi al secondo.

"I sistemi di imaging medico basati su questa tecnica potrebbero offrire un nuovo strumento diagnostico per i medici, " ha detto Shwartz. "Il nostro approccio potrebbe, Per esempio, essere utilizzato per acquisire filmati ad alta risoluzione del cuore riducendo notevolmente la dose di radiazioni per i pazienti".

Vedere attraverso le superfici

I raggi X sono utili per l'imaging a causa della loro capacità unica di penetrare superfici opache alle lunghezze d'onda visibili. L'imaging a raggi X tradizionale utilizza in genere una fotocamera pixelata con ogni pixel che misura il livello di intensità del raggio di raggi X in una posizione specifica.

L'acquisizione di immagini a raggi X a risoluzione più elevata richiede più pixel, quale, a sua volta, crea enormi quantità di dati che richiedono tempo per il trasferimento. Questo crea un compromesso tra velocità di imaging e risoluzione spaziale che rende impossibile catturare eventi ad alta velocità con alta risoluzione. Sebbene tecniche molto specializzate che coinvolgono raggi X estremamente potenti possano superare questo compromesso, queste sorgenti di raggi X sono disponibili solo su grandi sincrotroni che si trovano in alcune strutture in tutto il mondo.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori si sono rivolti all'imaging fantasma perché utilizza rilevatori a pixel singolo che possono migliorare la velocità di imaging. L'imaging fantasma funziona correlando due raggi:in questo caso, Fasci di raggi X, che individualmente non trasportano alcuna informazione significativa sull'oggetto. Un raggio codifica un modello casuale che funge da riferimento e non sonda mai direttamente il campione. L'altro raggio passa attraverso il campione. Poiché pochissimo potere dei raggi X entra in contatto con l'oggetto ripreso, l'imaging fantasma può anche aiutare a ridurre l'esposizione ai raggi X quando viene utilizzato per l'imaging medico.

"Sebbene i rilevatori a pixel singolo possano essere molto più veloci dei rilevatori a pixel, non forniscono la risoluzione spaziale necessaria per la ricostruzione dell'immagine, " ha detto Shwartz. "Abbiamo utilizzato l'imaging fantasma per superare questo problema e abbiamo dimostrato che possiamo visualizzare dinamiche veloci con una risoluzione spaziale paragonabile o addirittura migliore dei rivelatori pixelati a raggi X all'avanguardia".

Una soluzione semplice

Per creare il raggio di riferimento necessario per l'imaging fantasma, i ricercatori hanno utilizzato carta vetrata standard montata su palchi motorizzati per creare uno schema casuale che è stato registrato con un'alta risoluzione, Fotocamera a raggi X pixelata a frame rate lento. Mentre il palco veniva spostato in ogni posizione, il raggio di raggi X ha colpito un'area diversa della carta vetrata, creare trasmissioni radiografiche casuali, o fluttuazioni di intensità.

Hanno quindi rimosso la telecamera pixelata dal raggio di raggi X e inserito l'oggetto da acquisire e un rilevatore a pixel singolo. Hanno spostato gli stadi motorizzati per irradiare l'oggetto con i modelli di fluttuazione dell'intensità introdotti nelle varie posizioni della carta vetrata e quindi hanno misurato l'intensità totale dopo che il raggio ha colpito l'oggetto utilizzando il rilevatore a pixel singolo.

Per utilizzare questo approccio per l'immagine di una lama in rapido movimento, i ricercatori hanno sincronizzato le misurazioni con il movimento della lama. Un'immagine finale potrebbe quindi essere ricostruita correlando il pattern di riferimento con l'intensità misurata dal rivelatore a pixel singolo per ogni posizione della lama.

I ricercatori hanno creato un filmato della lama in movimento eseguendo la ricostruzione dell'immagine fotogramma per fotogramma per catturare la lama in diverse posizioni. Il filmato risultante mostra chiaramente il movimento con una risoluzione spaziale di circa 40 micron, quasi un ordine di grandezza migliore della risoluzione dei sistemi di imaging medico attualmente disponibili.

I ricercatori stanno continuando ad apportare miglioramenti al sistema complessivo e all'algoritmo di ricostruzione dell'immagine per migliorare la risoluzione e ridurre i tempi di misurazione.