研究人員展示了一種新的高分辨率X射線成像技術(shù)，該技術(shù)可以捕獲快速移動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)和快速變化的動(dòng)力學(xué)。新方法可用于移動(dòng)機(jī)械部件的非破壞性成像，并捕獲以前在醫(yī)學(xué)X射線成像中無(wú)法獲得的生物過(guò)程。

以色列Bar-Ilan大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人Sharon Shwartz說(shuō)：“我們展示的技術(shù)可以與任何X射線源一起使用，而且成本低，簡(jiǎn)單且耐用。” “因此，它開(kāi)辟了使用X射線在實(shí)驗(yàn)室外測(cè)量快速動(dòng)態(tài)的可能性。”

在光學(xué)協(xié)會(huì)(OSA)的《光學(xué)快報(bào)》上，研究人員描述了他們的新X射線成像方法，該方法使用稱為重影成像的非傳統(tǒng)成像方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高空間分辨率的快速成像速度。他們通過(guò)創(chuàng)建以每秒100,000幀的速度旋轉(zhuǎn)的刀片的X射線電影來(lái)演示該技術(shù)。

Shwartz說(shuō)：“基于這種技術(shù)的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)可以為醫(yī)師提供一種新的診斷工具。” “例如，我們的方法可用于獲取心臟的高分辨率電影，同時(shí)大大減少患者的放射劑量。”

透過(guò)表面看

X射線具有獨(dú)特的穿透可見(jiàn)光不透明表面的能力，因此可用于成像。傳統(tǒng)的X射線成像通常使用像素化相機(jī)，每個(gè)像素在特定位置測(cè)量X射線束的強(qiáng)度級(jí)別。

捕獲更高分辨率的X射線圖像需要更多的像素，這反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要花費(fèi)一些時(shí)間來(lái)傳輸。這會(huì)在成像速度和空間分辨率之間做出權(quán)衡，從而無(wú)法捕獲高分辨率的高速事件。盡管涉及非常強(qiáng)大的X射線的非常專業(yè)的技術(shù)可以克服這種折衷，但是這些X射線源僅在世界上少數(shù)幾個(gè)設(shè)施中的大型同步加速器中才可用。

在這項(xiàng)新工作中，研究人員轉(zhuǎn)向重影成像，因?yàn)樗褂昧丝梢蕴岣叱上袼俣鹊膯蜗袼貦z測(cè)器。鬼影成像通過(guò)關(guān)聯(lián)兩個(gè)光束(在本例中為X射線光束)而實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)光束沒(méi)有單獨(dú)攜帶有關(guān)對(duì)象的任何有意義的信息。一束光編碼一個(gè)隨機(jī)圖案，該圖案用作參考，從不直接探測(cè)樣品。另一束光束穿過(guò)樣品。因?yàn)楹苌俚腦射線能量會(huì)與要成像的對(duì)象接觸，所以重影成像在用于醫(yī)學(xué)成像時(shí)也可以幫助減少X射線的照射。

Shwartz說(shuō)：“盡管單像素檢測(cè)器比像素檢測(cè)器快得多，但它們不能提供圖像重建所需的空間分辨率。” “我們使用重影成像技術(shù)克服了這個(gè)問(wèn)題，并表明我們可以對(duì)快速動(dòng)態(tài)影像進(jìn)行成像，其空間分辨率與最新的X射線像素化探測(cè)器相當(dāng)甚至更好。”

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

為了創(chuàng)建重影成像所需的參考光束，研究人員使用了安裝在機(jī)動(dòng)載物臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)砂紙來(lái)創(chuàng)建隨機(jī)圖案，該圖案由高分辨率，慢幀速像素化X射線照相機(jī)記錄下來(lái)。當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)到每個(gè)位置時(shí)，X射線束會(huì)撞擊砂紙的不同區(qū)域，從而產(chǎn)生隨機(jī)的X射線透射或強(qiáng)度波動(dòng)。

然后，他們從X射線光束中移除了像素化相機(jī)，并插入了要成像的物體和一個(gè)單像素檢測(cè)器。他們移動(dòng)了電動(dòng)載物臺(tái)，以在砂紙各個(gè)位置引入的強(qiáng)度波動(dòng)圖案照射物體，然后使用單像素檢測(cè)器測(cè)量了光束撞擊物體后的總強(qiáng)度。

為了使用這種方法對(duì)快速移動(dòng)的刀片進(jìn)行成像，研究人員將測(cè)量值與刀片的運(yùn)動(dòng)同步。甲最終圖像然后可以通過(guò)與由單像素探測(cè)器用于葉片的每個(gè)位置測(cè)量的強(qiáng)度參考圖案相關(guān)來(lái)重建。

研究人員通過(guò)逐幀執(zhí)行圖像重建以捕獲不同位置的刀片，從而制作了動(dòng)葉片的電影。生成的電影清楚地顯示了運(yùn)動(dòng)，其空間分辨率約為40微米-比當(dāng)前可用的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究人員正在不斷改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)以及圖像重建算法，以提高分辨率并縮短測(cè)量時(shí)間。