Um laboratório

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8707 (2023) Citar este artigo

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A imagem de contraste de fase de raios X de rastreamento de feixe é uma abordagem do tipo “Shack-Hartmann” que usa uma máscara de pré-amostra para dividir os raios X em “beamlets” que são interrogados por um detector com resolução suficiente. A resolução espacial final é determinada pelo tamanho das aberturas da máscara, no entanto, atingir este nível de resolução requer “pisar” a amostra ou a máscara em incrementos iguais ao tamanho da abertura (“pontilhamento”). Se for usado um conjunto de aberturas circulares (que também fornece sensibilidade de fase bidimensional) em vez de longas fendas paralelas, esse passo precisa ser realizado em duas direções, o que aumenta significativamente o tempo de varredura. Apresentamos um design de máscara obtido pelo deslocamento de fileiras de aberturas circulares, permitindo sensibilidade bidimensional e resolução isotrópica, ao mesmo tempo que requer amostra ou máscara pisando em apenas uma direção. Apresentamos imagens de fantasmas personalizados e espécimes biológicos, demonstrando que a recuperação quantitativa da fase e as resoluções espaciais quase limitadas pela abertura são obtidas em duas direções ortogonais.

O contraste nas imagens convencionais de raios X depende da atenuação dos raios X que passam pela matéria; A tomografia computadorizada (TC) convencional por raios X fornece informações sobre a estrutura interna dos materiais em três dimensões com base no sinal de atenuação1. Tanto as radiografias planas (radiografia) quanto a tomografia computadorizada são rotineiramente usadas em uma variedade de aplicações, incluindo medicina e ciência de materiais. No entanto, eles sofrem de baixo contraste nos casos em que a amostra é fracamente atenuada (por exemplo, tecido biológico) e/ou consiste em múltiplos materiais com atenuação semelhante.

Superar as limitações da imagem de raios X baseada em atenuação tem sido objeto de extensas pesquisas nas últimas décadas. Uma abordagem é utilizar, na formação da imagem, a mudança de fase que os raios X experimentam ao passar pela matéria, o que dá origem a efeitos de refração (o ângulo de refração é proporcional à primeira derivada da mudança de fase2,3). A imagem com contraste de fase de raios X (XPCI) e a tomografia (XPC-CT) são técnicas poderosas que apresentam muitas vantagens sobre os métodos baseados em atenuação; em particular, permitem um contraste significativamente maior4. Isso resulta em um aumento na relação contraste-ruído (CNR) para as mesmas estatísticas de raios X detectadas, permitindo, em última análise, que detalhes que são invisíveis às imagens de raios X convencionais sejam detectados e que diferentes materiais sejam mais facilmente discriminados. Além disso, o contraste baseado em fase pode ser mantido em altas energias de raios X, o que reduz a quantidade de dose depositada na amostra3,5, uma vantagem particularmente útil em imagens biomédicas.

As técnicas de imagem que exploram a fase de raios X na formação da imagem incluem métodos de imagem baseados em propagação6, métodos de imagem baseados em analisador7, métodos de imagem baseados em manchas8, métodos interferométricos baseados em cristal9, métodos interferométricos baseados em grade10 e métodos não interferométricos baseados em grade11 . Esses métodos utilizam diferentes configurações experimentais para gerar sensibilidade de fase e, conseqüentemente, seus requisitos são muito elevados em termos de coerência espacial e temporal do feixe de raios X. Algumas tentativas de comparar quantitativamente diferentes métodos XPCI foram feitas no passado12,13,14.

O assunto deste artigo é um método de imagem não interferométrico baseado em grade. Esta categoria de métodos emprega moduladores, normalmente máscaras com septos alternados de absorção e transmissão, a montante da amostra, que estruturam o feixe de raios X em um conjunto de feixes com sobreposição mútua insignificante. A atenuação e a refração da amostra levam então a uma redução de intensidade e a um deslocamento lateral dos feixes, respectivamente. A sensibilidade a este último é obtida usando uma segunda máscara no detector (iluminação de borda) ou um detector com um tamanho de pixel suficientemente pequeno para resolver individualmente os feixes (rastreamento de feixe). Embora a exigência de detectores de tamanho de pixel pequeno limite seu campo de visão, o rastreamento de feixe tem a vantagem significativa de que os sinais de atenuação e refração são recuperados de um único quadro. Deve-se notar aqui que ambos os mecanismos de detecção, iluminação de borda e rastreamento de feixe, permitem também a recuperação do sinal de campo escuro (espalhamento de pequeno ângulo); no entanto, isso foi considerado além do escopo deste trabalho, que foca na varredura unidirecional permitida por um novo design de máscara. Inicialmente testamos o rastreamento de feixe XPCI com radiação síncrotron e depois o traduzimos para uma configuração de laboratório; em ambos os casos, a sensibilidade de fase unidimensional foi obtida usando uma máscara com fendas longas e paralelas. Esta técnica foi desenvolvida para CT17,18, para sensibilidade de fase bidimensional usando uma máscara com aberturas redondas19,20, e combinando ambos os avanços com radiação síncrotron21 e em um laboratório compacto22. Deve-se notar que a resolução direta de um conjunto de feixes com um detector com resolução suficiente compartilha semelhanças com o sensor de frente de onda Shack-Hartman (que, no entanto, usa lentes), e de fato outros grupos desenvolveram conceitos semelhantes, ainda mais cedo .