211service.com
Röntgenstralen met hoog contrast
Zwitserse onderzoekers hebben de bruikbaarheid aangetoond van een nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek met hoge resolutie die fijne structuren onthult die onzichtbaar zijn met conventionele technieken. Donkerveld-röntgenbeeldvorming kan worden gebruikt om zeer gedetailleerde beelden van botten te genereren en om onderscheid te maken tussen stoffen die er identiek uitzien in conventionele röntgenbeelden, zoals explosieven en kaas. De onderzoekers onderzoeken nu of hun aanpak ook de resolutie van medische beeldvormingstechnieken zoals mammogrammen en computertomografie (CT) scans kan verhogen.
Kippenvleugels: Een nieuwe röntgenbeeldvormingstechniek (onder) is gebaseerd op informatie over hoe een monster de straling verstrooit, waardoor een hoger contrastbeeld van de botten in een kippenvleugel wordt verkregen dan conventionele röntgenbeeldvorming (boven). Conventionele röntgenbeeldvorming is gebaseerd op informatie over hoe de vleugel straling absorbeert.
Franz Pfeiffer , assistent-professor natuurkunde aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Zwitserland, die de nieuwe techniek ontwikkelde, vergelijkt conventionele röntgenbeelden met schaduwen. Dergelijke afbeeldingen zijn afhankelijk van informatie over hoeveel straling wordt geabsorbeerd wanneer deze door een monster gaat, zoals een ledemaat van een patiënt. Maar er vinden complexere interacties plaats, zegt Pfeiffer, en hoe meer informatie over deze interacties kan worden verzameld, hoe beter het contrast van de beelden. Dark-field imaging meet hoe een monster licht verstrooit.
Deze jongens laten zien dat je dingen kunt doen met röntgenstralen die alleen optisch praktisch werden geacht [met zichtbaar licht], zegt Richard Lanza , een senior onderzoeker bij de afdeling nucleaire wetenschap en techniek van het MIT.
Eerder hadden onderzoekers, waaronder Pfeiffer, donkerveldbeeldvorming gedemonstreerd met behulp van een grote, dure deeltjesversneller, een synchrotron genaamd, als röntgenbron. Synchrotrons zorgen voor zeer heldere, fijn gefocuste bundels röntgenstralen. Zo'n krachtige bron was nodig omdat de inefficiënte kristaloptiek die werd gebruikt om de röntgenstralen op het monster te concentreren, slechts een smal spectrum van golflengten aankon.
Om de inefficiënte kristaloptiek te vervangen, ontwikkelde Pfeiffer siliciumfilters die werken met het volledige spectrum van stralen die worden gegenereerd door conventionele röntgenbuizen met laag vermogen. Deze filters zijn platte schijven van silicium geëtst met 20 micrometer lange sleuven, waarvan sommige gevuld zijn met goud. Om verstrooiingsbeelden te genereren, worden deze roosters tussen de röntgenbron en het monster en tussen het monster en de detector geplaatst.
Kleine structuren zoals microscheurtjes komen mooi naar voren in deze beelden omdat ze de straling behoorlijk verstrooien, zegt Pfeiffer. Dit suggereert dat de afbeeldingen nuttig kunnen zijn voor het detecteren van osteoporose of voor het vinden van gebreken in mechanische structuren zoals turbines.
Randen en grenzen zijn duidelijker in de donkere veldafbeeldingen, zegt Elizabeth Brainerd , een evolutionair bioloog aan de Brown University, die röntgenstralen gebruikt om de biomechanica van botten te bestuderen. (Zie Evolutie op de vlucht vangen .) Het kan moeilijk zijn om kleine botten en gewrichten te onderscheiden op conventionele röntgenfoto's. Brainerd is het ermee eens dat donkerveldbeelden nuttig kunnen zijn voor het detecteren van kleine breuken en botsporen bij patiënten, en ze is enthousiast over de mogelijkheid om de techniek van Pfeiffer uit te breiden naar driedimensionale CT-scans.
De aanpak van Pfeiffer kan ook worden gebruikt om beveiligingssystemen te verbeteren. Conventionele röntgenfotografen zoals die bij veiligheidscontroles op luchthavens kunnen geen onderscheid maken tussen veel verschillende soorten materialen - chocolade en kaas lijken bijvoorbeeld identiek aan sommige explosieven. Maar kaas en explosieven verstrooien röntgenstraling anders, dus in Pfeiffers donkerveldbeelden zijn de verschillen tussen de twee materialen duidelijk.
Pfeiffer is al begonnen met het maken van CT-scans met conventionele röntgenbuizen met behulp van een andere contrastverhogende techniek die hij twee jaar geleden ontwikkelde, genaamd fasecontrast. Hij zegt dat hij momenteel bezig is om roosters voor donkerveldbeeldvorming in conventionele CT-apparaten op te nemen. Hij werkt ook samen met onderzoekers van de Centrum voor Biomedische Beeldvorming , een instituut gerund door de Universiteit van Lausanne en de Universiteit van Genève, om te bepalen of donkerveld-röntgenbeeldvorming kan worden gebruikt om gezond weefsel van kankerweefsel te onderscheiden. Kankers absorberen röntgenstralen niet heel anders dan gezond weefsel, dus röntgensystemen die afhankelijk zijn van andere eigenschappen, zoals verstrooiing, kunnen bijvoorbeeld betere mammogrammen opleveren. De groep van Lanza aan het MIT werkt ook aan de ontwikkeling van betere kankerdetecterende CT-scanners die een combinatie van absorptie en breking voor contrast gebruiken en ook vertrouwen op nanogefabriceerde roosters. (Zie De fysica achter röntgenbeeldvorming veranderen.)
Donkerveldbeeldvorming wordt al meer dan 20 jaar gebruikt om het contrast en de resolutie in conventionele optische microscopen te verbeteren. Maar het toepassen van de contrastverhogende technieken die goed werken met zichtbaar licht op röntgenstraling heeft veel tijd gekost, zegt Pfeiffer. Een dergelijk systeem is nu pas mogelijk dankzij de vooruitgang in de fotolithografie en vele jaren fundamenteel wetenschappelijk onderzoek met synchrotrons, zegt hij.
Pfeiffer stelt zich voor dat toekomstige röntgenbeeldvormingssystemen zullen zijn zoals lichtmicroscopen vandaag zijn: ze zullen veel complementaire systemen bevatten voor het verbeteren van contrast – absorptie, breking, verstrooiing – en artsen en onderzoekers zullen in staat zijn om elke combinatie te gebruiken die het beste werkt voor een gegeven steekproef.