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

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La formación de imágenes de contraste de fase de rayos X con seguimiento de haz es un enfoque 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 resolución suficiente. La resolución espacial final está determinada por el tamaño de las aberturas de la máscara; sin embargo, lograr este nivel de resolución requiere "escalonar" la muestra o la máscara en incrementos iguales al tamaño de la abertura ("difuminado"). Si se utiliza una matriz de aperturas circulares (que también proporciona sensibilidad de fase bidimensional) en lugar de rendijas paralelas largas, este paso debe realizarse en dos direcciones, lo que alarga significativamente los tiempos de exploración. Presentamos un diseño de máscara obtenido al compensar filas de aberturas circulares, lo que permite una sensibilidad bidimensional y una resolución isotrópica al tiempo que requiere el paso de la muestra o la máscara en una sola dirección. Presentamos imágenes de fantasmas y especímenes biológicos personalizados, lo que demuestra que la recuperación de fase cuantitativa y las resoluciones espaciales con apertura limitada cercana 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 en función de 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 los materiales. Sin embargo, sufren de bajo contraste en los casos en que la muestra se atenúa débilmente (p. ej., tejido biológico) y/o consta de varios materiales con una atenuación similar.

Superar las limitaciones de las imágenes de rayos X basadas en la atenuación ha sido objeto de una extensa investigación durante las últimas décadas. Un enfoque consiste en utilizar, en la formación de imágenes, el cambio de fase que experimentan los rayos X al pasar a través de 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 poderosas que tienen muchas ventajas sobre los métodos basados en la 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 finalmente permite detectar detalles que son invisibles para las imágenes de rayos X convencionales y discriminar diferentes materiales con mayor facilidad. 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 imagen que explotan la fase de rayos X en la formación de imágenes incluyen métodos de imagen basados en propagación6, métodos de imagen basados en analizadores7, métodos de imagen 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 en términos de coherencia espacial y temporal del haz de rayos X. En el pasado se han hecho algunos intentos de comparar cuantitativamente diferentes métodos XPCI12,13,14.

El tema de este artículo es un método de imagen no interferométrico basado en rejillas. Esta categoría de métodos emplea moduladores, normalmente máscaras con septos de absorción y transmisión alternos, aguas arriba de la muestra, que estructuran el haz de rayos X en una matriz de haces con una superposición mutua insignificante. La atenuación y la refracción de la muestra conducen entonces a una reducción de la intensidad ya 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 lo suficientemente pequeño para resolver individualmente los haces (seguimiento de haz15). Aunque el requisito de detectores de tamaño de píxel pequeño limita su campo de visión, el seguimiento del haz tiene la ventaja significativa de que las señales de atenuación y refracción se recuperan de un solo cuadro. Cabe señalar aquí que, ambos mecanismos de detección, iluminación de borde y seguimiento de haz, permiten también la recuperación de la señal de 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 XPCI de seguimiento de haz con radiación de sincrotrón16, luego lo trasladamos a una configuración de laboratorio15; en ambos casos, la sensibilidad de fase unidimensional se logró usando una máscara con largas rendijas paralelas. Esta técnica se desarrolló aún más para CT17,18, para sensibilidad de fase bidimensional utilizando una máscara con aberturas redondas19,20, y combinando ambos avances con radiación sincrotrón21 y en un laboratorio compacto establecido22. Cabe señalar que la resolución directa de una matriz de beamlets con un detector con resolución suficiente comparte similitudes con el sensor de frente de onda de 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 tabiques de la máscara no contribuyen a la imagen, lo que, sin embargo, también proporciona la opción de resolución de 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 la apertura, adquiriendo imágenes en todos los pasos y recombinándolas. El difuminado solo se requiere a lo largo de la dirección horizontal cuando se usa una máscara con rendijas paralelas (haz estructurado 1D). En este caso, falta la sensibilidad de fase en la dirección paralela a las rendijas. Se requiere un escalonamiento de muestra significativamente más amplio para un haz estructurado 2D (que permite la sensibilidad de fase bidimensional), ya que la muestra (o la máscara) se debe escalonar tanto horizontal como verticalmente; de lo contrario, se logra una resolución no isotrópica. El esquema de difuminado completo se ha investigado en TC de seguimiento de haces 2D con radiación de sincrotrón21 y una configuración de laboratorio22 y ha demostrado su eficacia para mejorar la resolución espacial a valores iguales al tamaño de apertura (= tamaño de paso de difuminado) en ambas direcciones. En ambos casos, se adquirieron pasos de tramado en una cuadrícula 2D; dado que en CT se debe aplicar el proceso de tramado 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 necesidad de un escaneo extenso en una cuadrícula 2D. A continuación, primero describimos la implementación del enfoque, luego presentamos imágenes planas y tomografías computarizadas de muestras hechas a la medida y de una biológica compleja (un corazón de rata). Aunque no se aprovechó por completo en este primer estudio de prueba de concepto, el método permite iluminar completamente una muestra con una matriz 2D de aperturas circulares mientras se usa el escaneo unidireccional; este concepto se amplía en los Materiales complementarios.

En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático de la configuración de seguimiento de haz 2D utilizada para adquirir las imágenes planas y las tomografías computarizadas; se puede encontrar una descripción de la configuración en la sección "Métodos". Se utilizó una máscara que constaba de una matriz 2D de aberturas circulares. Las aberturas tienen un diámetro de d = 19 μm y diferentes periodos ph y pv a lo largo de la dirección horizontal y vertical, respectivamente; los períodos que definen el espaciamiento de haces de luz 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 de tramado (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 determinante de la resolución del sistema, independientemente de la borrosidad general del sistema Bh,v causada por la fuente y el detector. El desenfoque del sistema gaussiano, Bh,v, se puede obtener convolucionando la distribución de la fuente SWh,v proyectada en el detector con la función de dispersión de puntos PSFh,v del detector, y luego retroproyectando la función resultante en el plano de la máscara,

donde m era el factor de magnificación26. 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 detector PSF, son más pequeños que los correspondientes períodos magnificados ph y pv, es decir :

Como es evidente a partir 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, el punto focal de la fuente de rayos X a lo largo de los ejes horizontal y vertical, SWh,v, se estimó en aproximadamente 10 μm de ancho completo a la mitad del máximo (FWHM). Se midió previamente que el detector PSF era gaussiano con 120 μm FWHM en ambas direcciones27. El factor de aumento de la máscara, m, fue de 5,11. El desenfoque del sistema (ecuación (1)) es por lo tanto igual a 29 μm en ambas direcciones. Se seleccionó un diámetro de apertura de d = 19 μm. De acuerdo con la Ec. (2), el FWHM de los haces en 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, el mismo criterio de separación se aplica al espacio horizontal entre las aberturas. En nuestro diseño, hemos aplicado este criterio de "separación mínima de 56 μm" a un diseño escalonado (compensación de la mitad del período horizontal para cada dos filas de aberturas) donde la separación vertical entre las aberturas es menor que la horizontal y se agregó un margen de seguridad para (a) eliminar el riesgo de este primer estudio de prueba de concepto y (b) poder usar 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 tramado 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. La idoneidad de un diseño de máscara de este tipo para cumplir con los requisitos de la metodología propuesta se investigó inicialmente con simulaciones; se proporciona una descripción de la simulación y sus resultados en los Materiales complementarios.

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

Las imágenes planares 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 x e y, y fase integrada. Se observó un gradiente en las imágenes de fase recuperadas (el fondo no era constante en las imágenes de las Figs. 2b y 3b) que se atribuyó a pequeños errores en las señales de refracción recuperadas; esto se discute 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 cables 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 la dirección horizontal y vertical, mientras que se realizó difuminado solo en la dirección horizontal.

Perfiles de atenuación (a) y fase integrada (b), en el centro de una esfera de PMMA (que se muestra 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 el decremento 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 18,5 keV para el cable PS, como lo describen Munro y Olivo28, se utilizó como energía espectral media. Este mismo valor se utilizó para calcular los valores de β recuperados, dando lugar a valores recuperados que concuerdan con los nominales dentro de las incertidumbres. En la Ref.28, Munro y Olivo discuten 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 superior a la estimada para el alambre de PS; esto estaba alineado con la mayor absorción y, por lo tanto, el endurecimiento del haz 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 β y δ recuperados (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.

Los cortes axiales, sagitales y coronales reconstruidos del fantasma de gránulos para el canal de atenuación y de fase se muestran en la Fig. 6; 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). Los perfiles a lo largo de las líneas punteadas rojas en los planos axiales de los paneles (a,e) se muestran para la atenuación (d) y la fase (h).

La primera observación de la Fig. 6 es el mayor contraste y el ruido relativamente más bajo 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 que se muestran 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 es mayor que su término de absorción β a ~ 19 keV. La segunda observación es que la resolución espacial parece ser isotrópica. De hecho, las resoluciones espaciales (media ± desviación estándar, calculadas según la sección "Métodos") de 48 ± 4 μm, 46 ± 5 μm y 48 ± 7 μm, se estimaron 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 tramado unidireccional. Las funciones de dispersión de línea 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 la ampliación en el plano de la 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 tramado unidireccional en una muestra biológica compleja, un corazón de rata; la adquisición y análisis de datos se describe en la sección "Métodos". Los cortes axiales, sagitales y coronales reconstruidos del corazón de rata para los canales de atenuación y fase se muestran en la Fig. 7. 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 a través de 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 derivadas de componentes del sistema que varían con el tiempo debido, por ejemplo, a vibraciones y/o fluctuaciones de temperatura, pueden provocar desplazamientos horizontales y verticales de la máscara, lo que puede dar lugar a errores en la estimación de la variación en la posición de los haces causada por la refracción en la muestra. Se ha demostrado que los algoritmos de recuperación basados en el ajuste de curvas no lineales resueltos por los métodos de mínimos cuadrados, al mismo tiempo que tienen en cuenta las inestabilidades del sistema, eliminan los artefactos de gradiente en los cortes de fase reconstruidos en el contraste de fase de rayos X Edge Illumination CT29. Algoritmos de recuperación similares se considerarán en trabajos futuros para imágenes de contraste de fase de rayos X de 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 disponiendo las aperturas de manera escalonada, es decir, introduciendo un desplazamiento de la mitad del período horizontal (más largo) para cada fila de apertura alterna en una cuadrícula 2D con pv < ph, combinado con tramado unidireccional (a lo largo de la horizontal dirección).

La metodología propuesta se investigó inicialmente para imágenes planares. La atenuación recuperada, la refracción a lo largo de x e y y las imágenes de 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 informado anteriormente 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 cantidad de la TC con seguimiento de haz ya se demostró en trabajos anteriores17, y existe literatura adicional sobre el tema (p. ej., 30).

Este sistema se utilizó luego para XPC-CT. Usando un fantasma de gránulos, la resolución espacial se estimó en 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 de CNR. También se estudió la idoneidad de esta metodología para obtener imágenes de una muestra biológica compleja, un corazón de rata.

En resumen, el método propuesto ofrece el potencial para lograr la recuperación de un solo disparo con sensibilidad de fase bidimensional y resolución espacial isotrópica con un solo elemento óptico y tramado unidireccional. Se debe notar que el enfoque resumido por las Ecs. (1) y (2) determina 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 espacio entre las 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 más simplificado que el requerido por el tramado 2D y es compatible con el esquema de adquisición inteligente para CT, a saber, cicloidal CT31. Este último, que tiene una implementación más sencilla que su contraparte para tramado 2D, el CT21 de espiral cicloidal, reduciría aún más el tiempo de adquisición, allanando el camino para los escaneos dinámicos.

En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático de la configuración. La fuente de rayos X era una fuente de microfoco Hamamatsu L12161-07 con un ánodo W, operada en el modo de foco 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 de 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 sobre una platina de muestras, 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 tramado (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) al 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 provocada por el uso de una máscara plana relativamente gruesa con un haz cónico produjo un campo de visión efectivo de 15,9 (h) × 9,4 (v) mm2. Se utilizó una distancia máscara-detector de 57,5 cm, lo que resultó en un aumento de la máscara igual a 5,11; el período horizontal de los haces en el detector fue de 16 píxeles. La distancia de la muestra al detector fue, por lo tanto, de 54,6 cm, con un aumento de la muestra de 4,23.

Se adquirieron un total de dos imágenes planares 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 (referida como muestra de esferas en lo sucesivo), y (2) alambre de politetrafluoroetileno (PTFE) de 2 × 1 mm de diámetro y varillas de PS de 2 × 1,6 mm de diámetro, dispuestas en forma cruzada y encerradas en una caja de película de membrana (denominada muestra de alambres en lo sucesivo) . 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 pajilla de plástico de 10 mm de diámetro (denominado fantasma de gránulos en lo sucesivo), y (2) un corazón de rata liofilizado (mantenido 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 interpolado 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 una 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 condujo a un total de 4032 fotogramas para cada tomografía computarizada, con una duración total (incluidos los gastos generales derivados de la naturaleza de paso y disparo) de ~ 390 min.

Cada cuadro fue inicialmente corregido oscuro. A continuación, se recuperaron la atenuación y la refracción a lo largo de las señales x e y de cada fotograma mediante el seguimiento del perfil de cada haz y la cuantificación de los cambios inducidos por la muestra. Más específicamente, se cuantificó la intensidad de los haces con y sin la 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 horizontal y vertical del haz, ΔSx y ΔSy, respectivamente, se rastrearon mediante el registro de imágenes de subpíxeles basado en la 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, por:

Después de la recuperación de la atenuación y la refracción (x e y) de cada fotograma, los cuatro fotogramas de cada canal correspondientes a los cuatro pasos de tramado se combinaron en una sola imagen, con cuatro veces más píxeles en la dirección x que las imágenes originales recuperadas. 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 en33. 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, el decremento unitario δ y el término de absorción β del índice de refracción complejo:

fueron recuperados para los cuatro materiales en las imágenes planares adquiridas de las muestras de esferas y alambres. 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 las 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 utilizando las Ecs. (8) y (9), con su SD calculada a través de la 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 obtenidos para cada material (utilizando la Ec. (9)) con sus valores nominales dependientes de la energía (extraídos utilizando xraylib34), se utilizó como representante 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 oscilación 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 línea (LSF) y extrayendo su ancho total resultante a la mitad del máximo (FWHM). Se ajustaron cinco bordes consecutivos para cada dirección y se calcularon los valores medio y SD. 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 estos tienen una curvatura insignificante si se considera su tamaño total (aproximadamente 3,5 mm de diámetro) en comparación con el grosor (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 la 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. CNR entonces se calculó de la siguiente manera

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

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

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Este trabajo fue apoyado por la Cátedra de Tecnologías Emergentes de AO, financiada por la Royal Academy of Engineering, y por EPSRC (Grant EP/T005408/1). CKH cuenta con el apoyo de la Real Academia de Ingeniería bajo el esquema de becas de investigación. SS es becaria del Premio Doctoral 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 procesamiento de imágenes de rayos X de rastreo de haces basado en laboratorio que logra sensibilidad de fase bidimensional y resolución isotrópica con submuestreo unidireccional. Informe científico 13, 8707 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35901-2

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Recibido: 20 febrero 2023

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 29 mayo 2023

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

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