211service.com
Højkontrast røntgenstråler
Schweiziske forskere har demonstreret det praktiske ved en ny røntgenbilledteknik i høj opløsning, der afslører fine strukturer, der er usynlige ved hjælp af konventionelle teknikker. Mørkefeltsrøntgenbilleder kan bruges til at generere meget detaljerede billeder af knogler og til at skelne mellem stoffer, der ser identiske ud i konventionelle røntgenbilleder, såsom sprængstoffer og ost. Forskerne undersøger nu, om deres tilgang også kan øge opløsningen af medicinske billedbehandlingsteknikker såsom mammografi og computertomografi (CT)-scanninger.
Varme vinger: En ny røntgenbilledteknik (nederst) er afhængig af information om, hvordan en prøve spreder strålingen, hvilket giver et højere kontrastbillede af knoglerne i en kyllingevinge end konventionel røntgenbilleddannelse (øverst) gør. Konventionel røntgenbilleddannelse er afhængig af information om, hvordan vingen absorberer stråling.
Franz Pfeiffer , assisterende professor i fysik ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, som udviklede den nye teknik, sammenligner konventionelle røntgenbilleder med skygger. Sådanne billeder er afhængige af information om, hvor meget stråling der absorberes, når den passerer gennem en prøve, såsom en patients lem. Men der sker mere komplekse interaktioner, siger Pfeiffer, og jo mere information, der kan indsamles om disse interaktioner, jo bedre er kontrasten på billederne. Mørkefeltsbilleddannelse måler, hvordan en prøve spreder lys.
Disse fyre viser, at du kan gøre ting med røntgenstråler, som kun blev tænkt praktisk optisk [med synligt lys], siger Richard Lanza , en seniorforsker ved MITs afdeling for nuklear videnskab og teknik.
Tidligere havde forskere inklusive Pfeiffer demonstreret mørkfeltsbilleddannelse ved hjælp af en stor, dyr partikelaccelerator kaldet en synkrotron som røntgenkilde. Synkrotroner giver meget lyse, fint fokuserede stråler af røntgenstråler. En så kraftig kilde var nødvendig, fordi den ineffektive krystaloptik, der blev brugt til at fokusere røntgenstrålerne på prøven, kun kunne klare et snævert spektrum af bølgelængder.
For at erstatte den ineffektive krystaloptik udviklede Pfeiffer siliciumfiltre, der arbejder med hele spektret af stråler, der genereres af konventionelle røntgenrør med lav effekt. Disse filtre er flade skiver af silicium ætset med 20 mikrometer lange slidser, hvoraf nogle er fyldt med guld. For at generere spredningsbilleder placeres disse riste mellem røntgenkilden og prøven og mellem prøven og detektoren.
Små strukturer som mikrorevner viser sig pænt på disse billeder, fordi de spreder stråling en del, siger Pfeiffer. Dette tyder på, at billederne kan være nyttige til at opdage osteoporose eller til at finde fejl i mekaniske strukturer såsom turbiner.
Kanter og grænser er mere tydelige i de mørke feltbilleder, siger Elizabeth Brainerd , en evolutionær biolog ved Brown University, som bruger røntgenstråler til at studere knoglernes biomekanik. (Se Catching Evolution on the Run.) Det kan være svært at skelne mellem små knogler og led i konventionelle røntgenbilleder. Brainerd er enig i, at mørkefeltsbilleder kan være nyttige til at opdage små frakturer og knoglesporer hos patienter, og hun er begejstret for muligheden for at udvide Pfeiffers teknik til tredimensionelle CT-scanninger.
Pfeiffers tilgang kunne også bruges til at forbedre sikkerhedssystemer. Konventionelle røntgenkameraer som dem ved lufthavnssikkerhedskontrolpunkter kan ikke skelne mellem mange forskellige slags materialer - for eksempel ser chokolade og ost ud til at være identiske med nogle sprængstoffer. Men ost og sprængstoffer spreder røntgenstråler forskelligt, så i Pfeiffers mørkefeltsbilleder er forskellene mellem de to materialer tydelige.
Pfeiffer er allerede begyndt at lave CT-scanninger med konventionelle røntgenrør ved hjælp af en anden kontrastforstærkende teknik, han udviklede for to år siden, kaldet fasekontrast. Han siger, at han i øjeblikket arbejder på at inkorporere gitre til mørkfeltsbilleddannelse i konventionelle CT-enheder. Han samarbejder også med forskere på Center for Biomedicinsk Billeddannelse , et institut drevet af universitetet i Lausanne og universitetet i Genève, for at afgøre, om mørkefelts røntgenbilleder kan bruges til at skelne sundt væv fra kræftvæv. Kræfter absorberer ikke røntgenstråler meget anderledes end sundt væv gør, så røntgensystemer, der er afhængige af andre egenskaber, såsom spredning, kan for eksempel give bedre mammografi. Lanzas gruppe på MIT arbejder også på at udvikle bedre cancer-detekterende CT-scannere, der bruger en kombination af absorption og refraktion til kontrast og også er afhængige af nanofabrikerede gitter. (Se Ændring af fysikken bag røntgenbilleder.)
Dark-field imaging har været brugt i mere end 20 år til at forbedre kontrast og opløsning i konventionelle optiske mikroskoper. Men at anvende de kontrastforstærkende teknikker, der fungerer godt med synligt lys, på røntgenstråler har taget lang tid, siger Pfeiffer. Et sådant system er først muligt nu takket være fremskridt inden for fotolitografi og mange års grundlæggende videnskabelig forskning ved hjælp af synkrotroner, siger han.
Pfeiffer forestiller sig, at fremtidige røntgenbilledsystemer vil være, som lysmikroskoper er i dag: de vil inkorporere mange komplementære systemer til at forbedre kontrast-absorption, refraktion, spredning - og læger og forskere vil være i stand til at bruge den kombination, der fungerer bedst for en given given prøve.