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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8707 (2023) Citare questo articolo

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L'imaging a contrasto di fase dei raggi X con tracciamento del fascio è un approccio di tipo "Shack-Hartmann" che utilizza una maschera di pre-campione per dividere i raggi X in "fasci" che vengono interrogati da un rilevatore con una risoluzione sufficiente. La risoluzione spaziale finale è determinata dalla dimensione delle aperture della maschera, tuttavia per raggiungere questo livello di risoluzione è necessario "fare avanzare" il campione o la maschera con incrementi pari alla dimensione dell'apertura ("dithering"). Se viene utilizzata una serie di aperture circolari (che fornisce anche sensibilità di fase bidimensionale) invece di lunghe fessure parallele, questo passaggio deve essere eseguito in due direzioni, il che allunga significativamente i tempi di scansione. Presentiamo un design della maschera ottenuto compensando file di aperture circolari, consentendo sensibilità bidimensionale e risoluzione isotropa pur richiedendo il passaggio del campione o della maschera in una sola direzione. Presentiamo immagini di fantasmi e campioni biologici personalizzati, dimostrando che il recupero di fase quantitativo e le risoluzioni spaziali con apertura limitata sono ottenuti in due direzioni ortogonali.

Il contrasto nelle immagini radiografiche convenzionali dipende dall'attenuazione dei raggi X che attraversano la materia; La tomografia computerizzata a raggi X convenzionale (CT) fornisce informazioni sulla struttura interna dei materiali in tre dimensioni in base al segnale di attenuazione1. Sia i raggi X planari (radiografia) che la TC vengono abitualmente utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui la medicina e la scienza dei materiali. Tuttavia, presentano un contrasto basso nei casi in cui il campione presenta un'attenuazione debole (ad esempio, tessuto biologico) e/o è costituito da più materiali con attenuazione simile.

Il superamento dei limiti dell’imaging a raggi X basato sull’attenuazione è stato oggetto di ricerche approfondite negli ultimi decenni. Un approccio consiste nell'utilizzare, nella formazione dell'immagine, lo sfasamento che i raggi X subiscono mentre attraversano la materia, che dà origine a effetti di rifrazione (l'angolo di rifrazione è proporzionale alla derivata prima dello sfasamento2,3). L'imaging a contrasto di fase a raggi X (XPCI) e la tomografia (XPC-CT) sono tecniche potenti che presentano molti vantaggi rispetto ai metodi basati sull'attenuazione; in particolare, consentono un contrasto significativamente più elevato4. Ciò si traduce in un aumento del rapporto contrasto-rumore (CNR) per le stesse statistiche dei raggi X rilevate, consentendo in definitiva di rilevare dettagli invisibili all'imaging a raggi X convenzionale e di discriminare più facilmente materiali diversi. Inoltre, il contrasto basato sulla fase può essere mantenuto ad elevate energie dei raggi X, riducendo così la quantità di dose depositata nel campione3,5, un vantaggio particolarmente utile nell'imaging biomedico.

Le tecniche di imaging che sfruttano la fase dei raggi X nella formazione dell'immagine includono metodi di imaging basati sulla propagazione6, metodi di imaging basati su analizzatore7, metodi di imaging basati su speckle8, metodi interferometrici basati su cristalli9, metodi interferometrici basati su reticolo10 e metodi non interferometrici basati su reticolo11 . Questi metodi utilizzano diverse configurazioni sperimentali per generare sensibilità di fase e di conseguenza i loro requisiti in termini di coerenza spaziale e temporale del fascio di raggi X. In passato sono stati fatti alcuni tentativi di confrontare quantitativamente diversi metodi XPCI12,13,14.

L'oggetto di questo articolo è un metodo di imaging non interferometrico basato su reticolo. Questa categoria di metodi impiega modulatori, tipicamente maschere con setti alternati assorbenti e trasmittenti, a monte del campione, che strutturano il fascio di raggi X in una serie di fasci con trascurabile sovrapposizione reciproca. L'attenuazione e la rifrazione del campione portano quindi rispettivamente ad una riduzione dell'intensità e ad uno spostamento laterale dei fasci. La sensibilità a quest'ultimo si ottiene utilizzando una seconda maschera sul rilevatore (illuminazione del bordo11) o un rilevatore con una dimensione dei pixel sufficientemente piccola per risolvere individualmente i fasci (tracciamento del fascio15). Sebbene i requisiti per rilevatori di piccole dimensioni di pixel ne limitino il campo visivo, il tracciamento del fascio presenta il vantaggio significativo che i segnali di attenuazione e rifrazione vengono recuperati da un singolo fotogramma. Va notato qui che entrambi i meccanismi di rilevamento, l'illuminazione dei bordi e il tracciamento del raggio, consentono anche il recupero del segnale del campo scuro (scattering a piccolo angolo); tuttavia, ciò è stato considerato oltre lo scopo di questo lavoro, che si concentra sulla scansione unidirezionale consentita da un nuovo design della maschera. Inizialmente abbiamo testato il tracciamento del fascio XPCI con la radiazione di sincrotrone16, quindi lo abbiamo tradotto in una configurazione di laboratorio15; in entrambi i casi, la sensibilità di fase unidimensionale è stata ottenuta utilizzando una maschera con lunghe fessure parallele. Questa tecnica è stata ulteriormente sviluppata per CT17,18, per la sensibilità di fase bidimensionale utilizzando una maschera con aperture rotonde19,20 e combinando entrambi questi progressi con la radiazione di sincrotrone21 e in un allestimento di laboratorio compatto22. Va notato che la risoluzione diretta di una serie di fasci con un rilevatore con risoluzione sufficiente condivide somiglianze con il sensore del fronte d'onda di Shack-Hartman (che, tuttavia, utilizza lenti), e in effetti altri gruppi hanno sviluppato concetti simili, anche prima23,24.