Os pesquisadores relatam duas novas abordagens para a produção de imagens tridimensionais (3-D) usando raios X que podem melhorar o rastreamento de doenças, estudo de processos muito rápidos e permitir a análise das propriedades dos materiais e informações estruturais de objetos opacos com detalhes sem precedentes.

Os pesquisadores descrevem suas abordagens para imagens 3-D com raios-X em dois artigos em Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto. Um método pode reduzir as doses de raios-X necessárias em alguns tipos de imagens médicas preventivas, como o rastreamento do câncer de mama. O outro método pode permitir imagens 3-D de delicadas amostras biológicas ou o estudo de processos muito rápidos, como os tipos de interações que ocorrem durante os impactos de detritos espaciais, para acelerar o desenvolvimento de materiais mais duráveis.

Por causa de sua alta energia e comprimento de onda curto, Os raios X podem atravessar materiais que a luz visível não consegue. Embora seja possível obter imagens de raios-X 3D, as abordagens atuais são limitadas na aplicação porque requerem exposições prolongadas a raios-X prejudiciais.

Em humanos, muita radiação de imagens médicas de raios-X pode aumentar o risco de câncer, o que limita a frequência com que podem ser examinados com mamografia 3-D e outras tecnologias de raios-X 3-D. Os raios X de energia muito alta usados ​​para estudar a composição detalhada de materiais e amostras biológicas muitas vezes não podem ser usados ​​porque as amostras seriam destruídas após uma exposição.

Tomografia 3-D fantasma com raios-X

Pesquisadores liderados por Andrew Kingston da Australian National University juntamente com uma equipe da European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) na França demonstraram pela primeira vez que a abordagem de imagem não convencional conhecida como imagem fantasma pode ser usada para obter 3-D X- imagens de raio do interior de objetos opacos à luz visível.

"Por causa do potencial de doses significativamente mais baixas de raios-X com imagem fantasma 3-D, esta abordagem pode revolucionar a imagem médica, tornando o rastreamento de raios-X para sinais precoces da doença muito mais barato, mais prontamente disponível e capaz de ser realizado com muito mais frequência, "disse o autor sênior do jornal, David Paganin, da Monash University, Austrália. "Isso melhoraria muito a detecção precoce de doenças, incluindo câncer."

A imagem fantasma funciona correlacionando dois feixes - neste caso, Feixes de raios-X - que não carregam individualmente nenhuma informação significativa sobre o objeto. Um feixe codifica um padrão aleatório que atua como uma referência e nunca testa diretamente a amostra. O outro feixe passa pela amostra.

Os pesquisadores criaram padrões de raios-X aleatórios ao projetar um feixe de luz de raios-X através de uma espuma de metal, que é como uma esponja de metal. Eles tiraram uma imagem 2-D deste feixe aleatório, e então passou uma cópia muito fraca dele pela amostra. Um detector de pixel único de grande área capturou os raios X que passaram pela amostra. O processo foi repetido para vários padrões de iluminação e orientações de objeto de amostra para construir uma imagem tomográfica 3-D da estrutura interna do objeto.

Como um experimento de prova de conceito, os pesquisadores realizaram tomografia de raios-X fantasma em um cilindro de alumínio com um diâmetro de 5,6 milímetros e contendo dois orifícios de menos de 2,0 milímetros de diâmetro. Eles foram capazes de produzir imagens 3-D com 1,4 milhão de "voxels" - um termo para pixels 3-D - com uma resolução, ou comprimento lateral do voxel, de 48 milionésimos de um metro.

"Imagem fantasma de raio-X, especialmente tomografia fantasma, é um campo completamente novo que precisa ser explorado e desenvolvido muito mais, "disse Kingston." Com mais desenvolvimento, imaginamos a tomografia de raios-X fantasma como uma rota mais barata e, Portanto, máquinas de imagem de raio-X 3D muito mais prontamente disponíveis para imagens médicas, imagem industrial, triagem de segurança e vigilância. "

Imagens 3-D de uma única exposição

Uma equipe de pesquisa do Instituto Paul Scherrer, na Suíça, liderado por Marco Stampanoni, junto com uma equipe do Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) na Alemanha e o ESRF, adquiriu imagens 3-D usando fontes de raios-X de alto brilho. Sua nova abordagem usa uma única exposição, ou tiro, para obter informações 3-D de raios-X cem bilhões de vezes mais brilhantes do que uma fonte de raios-X de hospital. Os raios só podem ser produzidos em instalações de síncrotron especializadas.

"As fontes de raios-X de alto brilho são bastante úteis para a biologia e a ciência dos materiais porque podem sondar processos mais rápidos e resoluções mais altas do que outras fontes de raios-X, "disse o primeiro autor do artigo, Pablo Villanueva-Perez, de DESY." Como o poder dessas fontes pode destruir a amostra após um único pulso, As imagens 3-D atuais usando todo o poder dessas fontes requerem várias cópias idênticas de uma amostra. "

A nova técnica pode fazer as medições necessárias para formar uma imagem 3-D antes de destruir a amostra, portanto, pode ser útil para estudar a mecânica de delicadas amostras biológicas, como insetos vivos, ou examinar a estrutura 3-D interna de vírus ou proteínas intactas.

A nova abordagem de tiro único usa um cristal para dividir um feixe de raios-X de entrada em nove feixes que iluminam simultaneamente a amostra. O uso de detectores orientados para registrar informações de cada feixe permite aos pesquisadores adquirir de uma só vez nove projeções 2-D diferentes de um objeto de amostra antes de ser destruído pelos intensos feixes de sondas de raios-X.

Os pesquisadores usaram a abordagem para criar imagens de uma mariposa, que demonstrou o potencial para estudar a mecânica dos insetos com resolução em microescala 3-D em velocidades que variam de microssegundos a femtossegundos. Eles também mostraram que poderiam alcançar resolução em nanoescala por meio de imagens de uma nanoestrutura de ouro.

"Gostaríamos de combinar nossa técnica com os recursos exclusivos da instalação europeia de laser de elétrons livres de raios-X, a primeira instalação a fornecer pulsos de raios-X a uma taxa de um milhão de pulsos por segundo, "disse Villanueva-Perez." Isso poderia permitir a exploração 3-D de processos rápidos a velocidades de milhões de quadros por segundo. "

Os pesquisadores planejam usar sua técnica de imagem de projeção múltipla de disparo único para entender melhor a biomecânica dos insetos, que poderia inspirar novas configurações de engenharia. Eles também querem estudar novos, materiais mais leves que podem reduzir o consumo de combustível para veículos e planejam examinar os processos rápidos que ocorrem quando os detritos espaciais atingem os satélites, que poderia ajudar no desenvolvimento de materiais de proteção.