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Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8707 (2023) Citar este artículo

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La obtención de imágenes de contraste de fase de rayos X con seguimiento de haces es un método de tipo "Shack-Hartmann" que utiliza una máscara de muestra previa para dividir los rayos X en "haces" que son interrogados por un detector con suficiente resolución. La resolución espacial final está determinada por el tamaño de las aperturas de la máscara; sin embargo, para lograr este nivel de resolución es necesario "avanzar" la muestra o la máscara en incrementos iguales al tamaño de la apertura ("dithering"). Si se utiliza una serie de aperturas circulares (que también proporciona sensibilidad de fase bidimensional) en lugar de largas rendijas paralelas, este paso debe realizarse en dos direcciones, lo que alarga significativamente los tiempos de escaneo. Presentamos un diseño de máscara obtenido compensando filas de aperturas circulares, lo que permite una sensibilidad bidimensional y una resolución isotrópica al tiempo que requiere pasos de muestra o máscara en una sola dirección. Presentamos imágenes de fantasmas y especímenes biológicos hechos a medida, lo que demuestra que la recuperación de fase cuantitativa y las resoluciones espaciales cercanas a la apertura limitada se obtienen en dos direcciones ortogonales.

El contraste en las imágenes de rayos X convencionales depende de la atenuación de los rayos X que atraviesan la materia; La tomografía computarizada (TC) de rayos X convencional proporciona información sobre la estructura interna de los materiales en tres dimensiones basándose en la señal de atenuación1. Tanto los rayos X planos (radiografía) como la TC se utilizan habitualmente en una variedad de aplicaciones, incluidas la medicina y la ciencia de materiales. Sin embargo, sufren de bajo contraste en los casos en los que la muestra tiene una atenuación débil (por ejemplo, tejido biológico) y/o consta de múltiples materiales con atenuación similar.

Superar las limitaciones de las imágenes de rayos X basadas en atenuación ha sido objeto de extensas investigaciones durante las últimas décadas. Un enfoque consiste en utilizar, en la formación de imágenes, el cambio de fase que experimentan los rayos X al atravesar la materia, lo que da lugar a efectos de refracción (el ángulo de refracción es proporcional a la primera derivada del cambio de fase2,3). Las imágenes de contraste de fase de rayos X (XPCI) y la tomografía (XPC-CT) son técnicas potentes que tienen muchas ventajas sobre los métodos basados en atenuación; en particular, permiten un contraste significativamente mayor4. Esto da como resultado un aumento en la relación contraste-ruido (CNR) para las mismas estadísticas de rayos X detectadas, lo que en última instancia permite detectar detalles que son invisibles para las imágenes de rayos X convencionales y discriminar más fácilmente diferentes materiales. Además, el contraste basado en fases se puede mantener a altas energías de rayos X, lo que reduce la cantidad de dosis depositada en la muestra3,5, una ventaja particularmente útil en imágenes biomédicas.

Las técnicas de obtención de imágenes que aprovechan la fase de rayos X en la formación de imágenes incluyen métodos de obtención de imágenes basados en propagación6, métodos de obtención de imágenes basados en analizadores7, métodos de obtención de imágenes basados en motas8, métodos interferométricos basados en cristales9, métodos interferométricos basados en rejillas10 y métodos no interferométricos basados en rejillas11. . Estos métodos utilizan diferentes configuraciones experimentales para generar sensibilidad de fase y, en consecuencia, sus requisitos son muy altos en términos de coherencia espacial y temporal del haz de rayos X. En el pasado se han realizado algunos intentos de comparar cuantitativamente diferentes métodos XPCI12,13,14.

El tema de este artículo es un método de obtención de imágenes no interferométricas basado en rejillas. Esta categoría de métodos emplea moduladores, típicamente máscaras con septos absorbentes y transmisores alternos, aguas arriba de la muestra, que estructuran el haz de rayos X en una serie de haces con una superposición mutua insignificante. La atenuación y la refracción de la muestra conducen entonces a una reducción de la intensidad y a un desplazamiento lateral de los haces, respectivamente. La sensibilidad a este último se logra utilizando una segunda máscara en el detector (iluminación de borde11) o un detector con un tamaño de píxel suficientemente pequeño para resolver individualmente los haces (seguimiento de haces15). Aunque el requisito de detectores de tamaño de píxel pequeño limita su campo de visión, el seguimiento del haz tiene la importante ventaja de que las señales de atenuación y refracción se recuperan de un solo cuadro. Cabe señalar aquí que ambos mecanismos de detección, la iluminación de bordes y el seguimiento del haz, permiten también la recuperación de la señal del campo oscuro (dispersión de ángulo pequeño); sin embargo, esto se consideró más allá del alcance de este trabajo, que se centra en el escaneo unidireccional permitido por un nuevo diseño de máscara. Inicialmente probamos el XPCI de seguimiento de haz con radiación sincrotrón16, luego lo trasladamos a una configuración de laboratorio15; en ambos casos, la sensibilidad de fase unidimensional se logró utilizando una máscara con rendijas largas y paralelas. Esta técnica se desarrolló aún más para CT17,18, para sensibilidad de fase bidimensional usando una máscara con aberturas redondas19,20 y combinando ambos avances con radiación sincrotrón21 y en una configuración de laboratorio compacta22. Cabe señalar que la resolución directa de una serie de haces con un detector con suficiente resolución comparte similitudes con el sensor de frente de onda Shack-Hartman (que, sin embargo, utiliza lentes) y, de hecho, otros grupos desarrollaron conceptos similares, incluso antes23,24.

Una característica común de los métodos basados en máscaras es que las partes de la muestra cubiertas por los septos de la máscara no contribuyen a la imagen, lo que sin embargo también proporciona la opción de resolución con apertura limitada25. Se puede acceder a esta resolución más alta a través de un esquema de "difuminado", que consiste en escanear la muestra (o la máscara) en pasos iguales al tamaño de apertura, adquirir imágenes en todos los pasos y recombinarlas. El tramado solo es necesario a lo largo de la dirección horizontal cuando se utiliza una máscara con hendiduras paralelas (haz estructurado 1D). En este caso falta sensibilidad de fase en dirección paralela a las rendijas. Se requiere un paso de muestra significativamente más extenso para un haz estructurado 2D (que permite una sensibilidad de fase bidimensional), ya que la muestra (o la máscara) debe ser escalonada tanto horizontal como verticalmente; de lo contrario, se logra una resolución no isotrópica. El esquema de oscilación total se ha investigado en TC de seguimiento de haz 2D con radiación sincrotrón21 y una configuración de laboratorio22 y se ha demostrado que es eficaz para mejorar la resolución espacial a valores iguales al tamaño de apertura (= tamaño del paso de oscilación) en ambas direcciones. En ambos casos, se adquirieron pasos de tramado en una cuadrícula 2D; Dado que en CT el proceso de tramado debe aplicarse en cada ángulo, esto aumenta tanto el tiempo de adquisición como la complejidad del procedimiento de adquisición.

Aquí, proponemos un diseño de máscara para el seguimiento del haz que se beneficia de la sensibilidad de fase bidimensional y la resolución espacial isotrópica, sin la necesidad de un escaneo extenso en una cuadrícula 2D. A continuación, primero describimos la implementación del enfoque, luego presentamos imágenes planas y tomografías computarizadas tanto de muestras hechas a medida como de una biológica compleja (un corazón de rata). Aunque no se explotó completamente en este primer estudio de prueba de concepto, el método permite iluminar completamente una muestra con una matriz 2D de aperturas circulares mientras se utiliza un escaneo unidireccional; este concepto se amplía en los Materiales complementarios.

En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático de la configuración de seguimiento del haz 2D utilizada para adquirir imágenes planas y exploraciones por TC; Puede encontrar una descripción de la configuración en la sección "Métodos". Se utilizó una máscara que constaba de una serie 2D de aberturas circulares. Las aberturas tienen un diámetro de d = 19 μm y diferentes períodos ph y pv a lo largo de la dirección horizontal y vertical, respectivamente; los períodos que definen el espaciado de haces consecutivos en las direcciones respectivas fueron pv = 39 μm y ph = 156 μm. Los detalles completos sobre el diseño de la máscara se dan en el siguiente párrafo.

Esquema (no a escala) de la configuración experimental. La dirección del difuminado (escaneo de muestra) se indica con una flecha roja discontinua.

Siempre que se logre una separación suficiente entre los haces, el diámetro de apertura d es el factor decisivo de la resolución del sistema, independientemente del desenfoque general del sistema Bh,v causado por la fuente y el detector. El desenfoque del sistema gaussiano, Bh,v, se puede obtener convolucionando la distribución de fuente SWh,v proyectada sobre el detector con la función de dispersión puntual PSFh,v del detector, y luego retroproyectando la función resultante en el plano de máscara.

donde m fue el factor de ampliación26. Se logra una separación efectiva de los haces en el detector cuando los tamaños de las secciones transversales de los haces, magnificados al plano del detector y ampliados por el efecto de la fuente extendida y el PSF del detector, son más pequeños que los períodos magnificados correspondientes ph y pv, es decir :

Como se desprende de las Ecs. (1) y (2), el diseño de la máscara está determinado en gran medida por la configuración experimental específica utilizada. En nuestro caso, se estimó que el punto focal de la fuente de rayos X a lo largo de los ejes horizontal y vertical, SWh,v, era de aproximadamente 10 μm de ancho total a la mitad del máximo (FWHM). Anteriormente se midió que el detector PSF era gaussiano con 120 μm de FWHM en ambas direcciones27. El factor de aumento de la máscara, m, fue 5,11. Por tanto, el desenfoque del sistema (ecuación (1)) es igual a 29 μm en ambas direcciones. Se seleccionó un diámetro de apertura de d = 19 μm. Según la ecuación. (2), el FWHM de los haces a lo largo de ambas direcciones, desmagnificados al plano de la máscara, es de 31 μm. Imponer que los haces se superpongan entre sí en <10% de su valor máximo a lo largo de la dirección vertical para permitir su separación adecuada, da como resultado una distancia entre dos aberturas adyacentes a lo largo de la dirección vertical de al menos 56 μm. Dado que, como se dijo anteriormente, los haces se distribuyen por igual en las direcciones horizontal y vertical, se aplica el mismo criterio de separación al espaciado horizontal entre aberturas. En nuestro diseño, hemos aplicado este criterio de “separación mínima de 56 μm” a un diseño escalonado (desplazamiento de la mitad del período horizontal para cada dos filas de aberturas) donde la separación vertical entre aberturas es menor que la horizontal y agregamos un margen de seguridad para (a) eliminar el riesgo de este primer estudio de prueba de concepto y (b) poder utilizar la máscara también con otras combinaciones de fuente/detector. Adoptamos un "margen de seguridad" de aproximadamente el 40% y separamos los haces vecinos en 78 μm. Lograr una resolución isotrópica con difuminado unidireccional también requiere que el período horizontal sea un múltiplo entero del vertical: todas estas condiciones combinadas llevaron a la elección de 39 μm para pv y 4 × pv = 156 μm para ph. Inicialmente se investigó mediante simulaciones la idoneidad de dicho diseño de máscara para cumplir los requisitos de la metodología propuesta; En los materiales complementarios se proporciona una descripción de la simulación y sus resultados.

También cabe señalar que, por las razones descritas anteriormente, el diseño de máscara de este estudio de prueba de concepto no corresponde a una cobertura completa de la muestra a lo largo de la dirección vertical, ya que de hecho hay espacios entre filas de apertura consecutivas ya que pv > d. Es posible realizar un muestreo más fino a lo largo de la dirección vertical a costa de una mayor separación entre aberturas en la dirección horizontal, y esto también se analiza con más detalle en los Materiales complementarios.

Las imágenes planas se adquirieron siguiendo el procedimiento descrito en la sección "Métodos". Las imágenes planas recuperadas de las esferas y las muestras de alambres cruzados se muestran en las Figs. 2 y 3, respectivamente. Ambas imágenes muestran atenuación, refracción a lo largo de los ejes xey y fase integrada. Se observó un gradiente en las imágenes de fase recuperadas (el fondo no fue constante en todas las imágenes de las figuras 2b y 3b) que se atribuyó a pequeños errores en las señales de refracción recuperadas; esto se analiza al final de la sección.

Atenuación (a), fase integrada (b), refracción a lo largo del eje x (c) y refracción a lo largo del eje y (d), de la muestra de esferas.

Atenuación (a), fase integrada (b), refracción a lo largo del eje x (c) y refracción a lo largo del eje y (d), de la muestra de alambres cruzados.

Para investigar la isotropía de las señales a lo largo de la dirección horizontal (x) y vertical (y), se trazaron los perfiles a través del centro de una esfera de PMMA de las señales de atenuación y fase a lo largo de ambas direcciones y se muestran en la Fig. 4. Se confirma que se logra una resolución espacial isotrópica en las direcciones horizontal y vertical, mientras que se realiza el tramado solo en la dirección horizontal.

Perfiles de atenuación (a) y fase integrada (b), a través del centro de una esfera de PMMA (mostrada en la Fig. 2) a lo largo de la dirección x (línea continua negra) e y (línea discontinua roja).

El término de absorción β y la disminución del índice de refracción δ, definido en la ecuación. (7), de los cuatro materiales recuperados como se describe en la sección "Métodos" se informan en la Fig. 5. La energía efectiva de la medición de fase, estimada en aproximadamente 19 keV para la esfera de PMMA, la esfera de PP y el cable de PTFE, y como energía espectral media se utilizó 18,5 keV para el cable PS, como lo describen Munro y Olivo28. Este mismo valor se utilizó para calcular los valores β recuperados, lo que llevó a valores recuperados que concuerdan con los nominales dentro de las incertidumbres. En Ref.28, Munro y Olivo analizan cómo la energía efectiva para la absorción puede diferir de la de la fase, y cómo ambas varían con el espesor de la muestra. De hecho, la energía efectiva para la esfera de PMMA, la esfera de PP y el alambre de PTFE fue ligeramente mayor en comparación con la estimada para el alambre de PS; esto estaba alineado con la mayor absorción y, por lo tanto, el endurecimiento de la viga causado por el primero. Cabe señalar aquí que, aunque aquí no se observó una diferencia de la energía efectiva entre la fase y la absorción, se creía que era menor que la incertidumbre asociada a los valores recuperados de β y δ (propagación de la desviación estándar de la atenuación y valores de fase extraídos de las imágenes).

Término de absorción, β, (a) y disminución del índice de refracción, δ, (b) extraídos del experimento junto con los valores nominales.

En la Fig. 6 se muestran los cortes axial, sagital y coronal reconstruidos del fantasma de gránulos tanto para el canal de atenuación como para el canal de fase; La adquisición y el análisis de datos se describen en la sección "Métodos".

Planos axial (a, e), sagital (b, f) y coronal (c, g) reconstruidos del fantasma de gránulos para atenuación (a – c) y fase (e – g), y las funciones de dispersión de línea correspondientes (i ) extraído de los bordes de la esfera indicados con líneas discontinuas de los colores correspondientes a lo largo de los ejes x, y y z en los paneles (e,f). Se muestran los perfiles a lo largo de las líneas de puntos rojas en los planos axiales de los paneles (a,e) para la atenuación (d) y la fase (h).

La primera observación de la Fig. 6 es el mayor contraste y el ruido relativamente menor en las imágenes de fase (Fig. 6d – f) en comparación con las de atenuación (Fig. 6a – c). La relación contraste-ruido (CNR) para La atenuación y la fase (a lo largo de los perfiles mostrados en la Fig. 6) se calcularon en 3 y 21, respectivamente. Esto se atribuyó a que la disminución del índice de refracción δ de PS era mayor que su término de absorción β a ~ 19 keV. La segunda observación es que la resolución espacial parece ser isotrópica. De hecho, se estimaron resoluciones espaciales (media ± desviación estándar, calculada según la sección "Métodos") de 48 ± 4 μm, 46 ± 5 μm y 48 ± 7 μm a partir del volumen de fase a lo largo de los ejes x, z e y. respectivamente, lo que demuestra la capacidad de la máscara propuesta para lograr una resolución espacial isotrópica a pesar del difuminado unidireccional. Las funciones de dispersión de líneas extraídas de los bordes de la esfera a lo largo de los tres ejes se muestran en la Fig. 6 (i). El tamaño del vóxel, considerando el aumento en el plano de muestra, fue de 47 μm × 47 μm × 47 μm.

También se investigó la compatibilidad de la metodología propuesta para lograr una resolución espacial isotrópica con un difuminado unidireccional en una muestra biológica compleja, un corazón de rata; La adquisición y análisis de datos se describe en la sección "Métodos". En la Fig. 7 se muestran los cortes axial, sagital y coronal reconstruidos del corazón de rata para los canales de atenuación y fase. Como se puede ver visualmente, la resolución espacial parece ser isotrópica.

Planos axiales (a, d), sagitales (b, e) y coronales (c, f) reconstruidos del corazón de rata para los canales de atenuación (a – c) y fase (d – f).

Se puede observar un gradiente en los cortes de fase reconstruidos en la Fig. 7, y la señal de fase dentro de las cámaras del corazón fue mayor en comparación con el fondo fuera del órgano. Esto se debe a pequeños errores en las señales de refracción recuperadas. Las inestabilidades del sistema que surgen de componentes del sistema que varían en el tiempo debido, por ejemplo, a vibraciones y/o fluctuaciones de temperatura, pueden dar lugar a desplazamientos horizontales y verticales de la máscara, lo que puede conducir a errores en la estimación de la variación en la posición del haz causada por la refracción en la muestra. Se ha demostrado que los algoritmos de recuperación basados en el ajuste de curvas no lineales resueltos mediante métodos de mínimos cuadrados, al mismo tiempo que tienen en cuenta las inestabilidades del sistema, eliminan artefactos de gradiente en cortes de fase reconstruidos en el contraste de fase de rayos X CT29 de Edge Illumination. Se considerarán algoritmos de recuperación similares en trabajos futuros para imágenes de contraste de fase de rayos X con seguimiento de haz 2D y TC.

Se propone un método simplificado para lograr sensibilidad de fase bidimensional y resolución espacial isotrópica. La configuración propuesta es un sistema XPCI/XPC-CT de seguimiento de haz de rejilla única, que permite la recuperación de señales de atenuación y fase de un solo cuadro. La sensibilidad de fase bidimensional se logró utilizando una máscara con una matriz 2D de aperturas circulares. Se logró una resolución espacial isotrópica organizando las aperturas de manera escalonada, es decir, introduciendo un desplazamiento de la mitad del período horizontal (más largo) para cada fila de aperturas en una cuadrícula 2D con pv < ph, combinado con interpolación unidireccional (a lo largo de la línea horizontal). dirección).

La metodología propuesta se investigó inicialmente para imágenes planas. Las imágenes recuperadas de atenuación, refracción a lo largo de xey y fase integrada tenían un píxel cuadrado de 47 × 47 μm2 de tamaño; Se encontró que las señales de atenuación y fase eran isotrópicas a lo largo de la dirección horizontal y vertical. La recuperación cuantitativa de la disminución del índice de refracción δ y del término de absorción β de los materiales fotografiados se logró siguiendo un método previamente informado para sistemas de imágenes de contraste de fase de rayos X basados en rejillas policromáticas. Esto no se repitió para las imágenes de TC ya que la cuantitativa de la TC con seguimiento del haz ya se demostró en trabajos anteriores17, y existe literatura adicional sobre el tema (por ejemplo,30).

Este sistema se utilizó luego para XPC-CT. Utilizando un fantasma de gránulos, se estimó que la resolución espacial era 48 ± 4 μm, 46 ± 5 μm y 48 ± 7 μm, a lo largo de los ejes x, z e y, respectivamente, lo que demuestra que se logró una resolución isotrópica. Se demostraron las ventajas que ofrecen las imágenes de fase frente a las imágenes de atenuación, cuantificadas mediante la extracción de los valores CNR. También se estudió la idoneidad de esta metodología para obtener imágenes de una muestra biológica compleja, el corazón de una rata.

En resumen, el método propuesto ofrece el potencial de lograr una recuperación de un solo disparo con sensibilidad de fase bidimensional y resolución espacial isotrópica con un solo elemento óptico y difuminado unidireccional. Cabe señalar que el enfoque resumido por las Ecs. (1) y (2) determinan la separación mínima entre haces, pero no es prescriptivo en términos de su disposición 2D, por lo que deja espacio para, por ejemplo, un muestreo más fino a lo largo de la dirección vertical (por ejemplo, para no dejar espacios verticales entre aberturas circulares) a costa de un mayor espaciamiento de aberturas circulares en la horizontal (y por lo tanto un mayor número de pasos de muestreo). Esto se analiza con más detalle en los Materiales complementarios.

Este método ofrece un esquema de adquisición simplificado que el requerido por el difuminado 2D y es compatible con el esquema de adquisición inteligente para CT, concretamente CT31 cicloidal. Este último, que tiene una implementación más sencilla que su contraparte para difuminado 2D, el CT21 en espiral cicloidal, reduciría aún más el tiempo de adquisición, allanando el camino para escaneos dinámicos.

En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático de la configuración. La fuente de rayos X era una fuente de microenfoque Hamamatsu L12161-07 con un ánodo W, operada en el modo de enfoque pequeño con un voltaje de tubo de 40 kV y una corriente de tubo de 250 μΑ. Se estimó que el tamaño nominal del punto focal en estas condiciones operativas era de aproximadamente 10 μm FWHM. No se utilizó filtración por haz. Después del calentamiento, la fuente de rayos X se dejó encendida durante 2 h antes de cualquier adquisición con fines de estabilización. La muestra se colocó a 16,9 cm de la fuente en una platina de muestra, compuesta por motores piezoeléctricos Physik Instrumente (PI), para rotación (modelo Q-632.930) y traslación lineal (modelo Q-521.240, tres en total, uno para cada dirección). , más una platina lineal Newport (M-ILS150BPP) para realizar el difuminado (horizontal). Se colocó una máscara de 30 × 30 mm2 2,9 cm aguas arriba de la muestra. Consistía en aberturas circulares de 19 μm con un período de 156 μm a lo largo de la horizontal. y 39 μm a lo largo de la dirección vertical, con un desplazamiento de la mitad del período horizontal (es decir, 78 μm) cada dos líneas. Tenía una capa de Au de 200 ± 20 μm de espesor sobre un sustrato de grafito de 1 mm de espesor, y fue fabricado por Microworks GmbH. (Karlsruhe, Alemania) según el diseño de los autores (descrito con más detalle a continuación). El detector era un sensor de panel plano basado en Hamamatsu CMOS (modelo C9732DK) con 2368 (h) × 2340 (v) 50 × 50 μm2 píxeles. La filtración angular causada por el uso de una máscara plana relativamente gruesa con un haz cónico condujo a un campo de visión efectivo de 15,9 (h) × 9,4 (v) mm2. Se utilizó una distancia máscara-detector de 57,5 cm, resultando un aumento de la máscara igual a 5,11; el período horizontal de los haces en el detector fue de 16 píxeles. La distancia entre la muestra y el detector fue, por tanto, de 54,6 cm, con un aumento de la muestra de 4,23.

Se adquirieron un total de dos imágenes planas seguidas de dos tomografías computarizadas. Las dos muestras para las imágenes planas fueron (1) esferas de poliestireno (PS) de 4 × 3,5 mm de diámetro, 4 esferas de polipropileno (PP) de 3,18 mm de diámetro y 4 esferas de polimetilmetacrilato (PMMA) de 3,18 mm de diámetro encerradas en una caja de película de membrana (denominada (denominados muestra de esferas en lo sucesivo), y (2) alambre de politetrafluoroetileno (PTFE) de 2 × 1 mm de diámetro y 2 varillas de PS de 1,6 mm de diámetro, dispuestas de forma cruzada y encerradas en una caja de película de membrana (denominada en lo sucesivo muestra de alambres) . Para cada muestra, se adquirieron 30 imágenes oscuras y 30 planas, seguidas de las imágenes de muestra. La muestra se trasladó a lo largo de la dirección horizontal en 4 pasos de tramado, cubriendo un período de máscara horizontal (156 μm). Teniendo en cuenta el aumento de muestra a máscara de 1,21, la muestra cubrió 188 μm en pasos de tramado de 4 × 47 μm.

Las dos muestras para las tomografías computarizadas fueron: (1) una serie de gránulos de PS de aproximadamente 3,5 mm de diámetro insertados en una pajita de plástico de 10 mm de diámetro (de ahora en adelante denominada gránulos fantasma), y (2) un corazón de rata liofilizado (conservado a temperatura ambiente durante la exploración). Para cada muestra, se adquirieron 30 imágenes oscuras y 30 planas antes y después de la adquisición de las imágenes de muestra. El conjunto de datos de TC difuminado constaba de 1008 proyecciones tomadas girando la muestra en pasos de 0,18 grados sobre 180 grados más el ángulo del cono, aquí igual a 1,4°, en forma de "paso y disparo". En cada ángulo, la muestra se escaneó horizontalmente en pasos de 4 × 47 μm y se adquirió un cuadro de exposición de 1,2 s en cada paso. Esto llevó a un total de 4032 fotogramas para cada tomografía computarizada, con una duración total (incluidos los gastos generales que surgen de la naturaleza de paso y disparo) de ~ 390 min.

Inicialmente, cada cuadro se corrigió en oscuridad. Luego se recuperaron de cada cuadro la atenuación y la refracción a lo largo de las señales xey, rastreando el perfil de cada haz y cuantificando los cambios inducidos por la muestra. Más específicamente, se cuantificó la intensidad del haz con y sin muestra, I e I0 respectivamente; La reducción de la intensidad del haz se relacionó entonces con la atenuación de los rayos X, a través de:

dónde

En la ecuación. (4), λ es la longitud de onda de los rayos X, β el término de absorción del índice de refracción complejo y z es la dirección de propagación del haz de rayos X. Los desplazamientos horizontales y verticales del haz, ΔSx y ΔSy, respectivamente, se rastrearon mediante el registro de imágenes de subpíxeles basado en correlación cruzada32. Estos desplazamientos se debían a la refracción y estaban relacionados con el ángulo de refracción a lo largo de las direcciones horizontal, θRx, y vertical, θRy, mediante:

Después de la recuperación de atenuación y refracción (x e y) de cada cuadro, los cuatro cuadros para cada canal correspondientes a los cuatro pasos de difuminado se combinaron en una sola imagen, con cuatro veces más píxeles en la dirección x que las imágenes recuperadas originales. El cambio de fase Φ inducido por la muestra se recuperó utilizando los ángulos de refracción θRx y θRx y el método del espacio de Fourier descrito en 33. Φ está relacionado con la disminución del índice de refracción δ a través de:

donde k es el número de onda. Para el análisis cuantitativo, la disminución unitaria δ y el término de absorción β del índice de refracción complejo:

Se recuperaron para los cuatro materiales en las imágenes planas adquiridas de las muestras de esferas y cables. Esto se obtuvo a partir de las imágenes de atenuación reorganizando la ecuación. (4) como:

y de las imágenes de fase reorganizando la ecuación. (6) como:

donde T es el espesor de la muestra a lo largo de la dirección de propagación del haz de rayos X. La media y la desviación estándar (SD) de los valores de atenuación y fase se calcularon a partir de regiones de interés seleccionadas dentro de cada material (esferas de PP y PMMA y cables de PTFE y PS) en las imágenes correspondientes. Luego se calcularon β y δ usando las Ecs. (8) y (9), con su SD calculada mediante propagación estándar de los valores de SD extraídos de las imágenes. La energía efectiva de las mediciones de fase, estimada a partir de la comparación de los valores δ recuperados para cada material (usando la ecuación (9)) con sus valores nominales dependientes de la energía (extraídos usando xraylib34), se usó como representativa del espectro policromático. y posteriormente en la Ec. (8) para recuperar los valores de β.

La reconstrucción por TC de las imágenes de atenuación y de fase se realizó con una implementación GPU del algoritmo Feldkamp-David-Kress35 para la reconstrucción de haz cónico utilizando la caja de herramientas ASTRA36,37. Los planos reconstruidos tenían un área de píxeles igual al paso de difuminado horizontal en el plano de muestra × el período vertical de los haces en el plano de muestra, es decir, 47 × 47 μm2.

Los planos axial, sagital y coronal reconstruidos del fantasma de gránulos se utilizaron para estimar la resolución espacial del sistema. Las estimaciones de resolución espacial se obtuvieron ajustando funciones de error a los bordes de los gránulos a lo largo de las direcciones x, y y z, calculando sus derivadas para obtener funciones de dispersión de líneas (LSF) y extrayendo su ancho total resultante en la mitad de los máximos (FWHM). Se ajustaron cinco bordes consecutivos para cada dirección y se calcularon los valores medio y DE. Cabe señalar que, aunque los bordes de los gránulos no eran estrictamente afilados, los perfiles se extrajeron de cortes de TC en su centro, y se puede considerar que tienen una curvatura insignificante si se considera su tamaño total (aproximadamente 3,5 mm de diámetro) en comparación con el espesor (47 μm) de los cortes de TC reconstruidos.

Los planos axiales de fase y atenuación reconstruidos del fantasma de gránulos también se utilizaron para cuantificar el CNR para cada canal de contraste. Los perfiles de atenuación y fase se extrajeron de una región seleccionada dentro del corazón de rata; Se identificaron la señal y las regiones de fondo. Luego se calculó el CNR de la siguiente manera

donde I denota la media y σ la DE de cada región.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Cátedra de Tecnologías Emergentes de la AO, financiada por la Real Academia de Ingeniería, y por EPSRC (Subvención EP/T005408/1). CKH cuenta con el apoyo de la Real Academia de Ingeniería en el marco del plan de becas de investigación. SS es becario del Premio de Doctorado UKRI EPSRC (EP/T517793/1).

Departamento de Física Médica e Ingeniería Biomédica, University College London, Malet Place, Londres, WC1E 6BT, Reino Unido

Lioliou G, Navarrete-Leon C, Astolfo A, Savvidis S, Bate D, Endrizzi M, Hagen CK & Olivo A

Nikon X-Tek Systems Ltd, Tring, HP23 4JX, Herts, Reino Unido

D. bate

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AO, CKH, DB concibieron el estudio y diseñaron la investigación. GL realizó mediciones y realizó análisis de datos. GL escribió el manuscrito con la ayuda de AO y CKHCNL, AA y ME desarrollaron el sistema de imágenes. SS proporcionó la muestra biológica. Todos los autores contribuyeron a la revisión e interpretación de los resultados. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a G. Lioliou.

DB es un empleado de Nikon.

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Reimpresiones y permisos

Lioliou, G., Navarrete-León, C., Astolfo, A. et al. Un método de obtención de imágenes de rayos X con seguimiento de haz basado en laboratorio que logra sensibilidad de fase bidimensional y resolución isotrópica con submuestreo unidireccional. Representante científico 13, 8707 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35901-2

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Recibido: 20 de febrero de 2023

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 29 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35901-2

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