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)可以捕獲快速移動的物體的運動和快速變化的動力學(xué)。新方法可用于移動機(jī)械部件的非破壞性成像，并捕獲以前在醫(yī)學(xué)X射線成像中無法獲得的生物過程。

以色列Bar-Ilan大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人Sharon Shwartz說：“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，簡單且耐用。” “因此，它開辟了使用X射線在實驗室外測量快速動態(tài)的可能性。”

在光學(xué)協(xié)會(OSA)的《光學(xué)快報》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)成像方法來實現(xiàn)具有高空間分辨率的快速成像速度。他們通過創(chuàng)建以每秒100,000幀的速度旋轉(zhuǎn)的刀片的X射線電影來演示該技術(shù)。

Shwartz說：“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，同時大大減少患者的放射劑量。”

透過表面看

X射線具有獨特的穿透可見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)，每個像素在特定位置測量X射線束的強(qiáng)度級別。

捕獲更高分辨率的X射線圖像需要更多的像素，這反過來會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要花費一些時間來傳輸。這會在成像速度和空間分辨率之間做出權(quán)衡，從而無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)幾個設(shè)施中的大型同步加速器中才可用。

在這項新工作中，研究人員轉(zhuǎn)向重影成像，因為它使用了可以提高成像速度的單像素檢測器。鬼影成像通過關(guān)聯(lián)兩個光束(在本例中為X射線光束)而實現(xiàn)，這兩個光束沒有單獨攜帶有關(guān)對象的任何有意義的信息。一束光編碼一個隨機(jī)圖案，該圖案用作參考，從不直接探測樣品。另一束光束穿過樣品。因為很少的X射線能量會與要成像的對象接觸，所以重影成像在用于醫(yī)學(xué)成像時也可以幫助減少X射線的照射。

Shwartz說：“盡管單像素檢測器比像素檢測器快得多，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)克服了這個問題，并表明我們可以對快速動態(tài)影像進(jìn)行成像，其空間分辨率與最新的X射線像素化探測器相當(dāng)甚至更好。”

一個簡單的解決方案

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)動載物臺上的標(biāo)準(zhǔn)砂紙來創(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。當(dāng)平臺移動到每個位置時，X射線束會撞擊砂紙的不同區(qū)域，從而產(chǎn)生隨機(jī)的X射線透射或強(qiáng)度波動。

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單像素檢測器。他們移動了電動載物臺，以在砂紙各個位置引入的強(qiáng)度波動圖案照射物體，然后使用單像素檢測器測量了光束撞擊物體后的總強(qiáng)度。

為了使用這種方法對快速移動的刀片進(jìn)行成像，研究人員將測量值與刀片的運動同步。甲最終圖像然后可以通過與由單像素探測器用于葉片的每個位置測量的強(qiáng)度參考圖案相關(guān)來重建。

研究人員通過逐幀執(zhí)行圖像重建以捕獲不同位置的刀片，從而制作了動葉片的電影。生成的電影清楚地顯示了運動，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數(shù)量級。

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