211service.com
Högkontraströntgenstrålar
Schweiziska forskare har visat det praktiska i en ny högupplöst röntgenteknik som avslöjar fina strukturer som är osynliga med hjälp av konventionella tekniker. Mörkfältsröntgen kan användas för att generera mycket detaljerade bilder av ben och för att skilja mellan ämnen som ser identiska ut i konventionella röntgenbilder, som sprängämnen och ost. Forskarna undersöker nu om deras tillvägagångssätt också kan öka upplösningen av medicinska avbildningstekniker som mammografi och datortomografi (CT) skanningar.
Kycklingvingar: En ny röntgenteknik (nederst) bygger på information om hur ett prov sprider strålningen, vilket ger en högre kontrastbild av benen i en kycklingvinge än vad konventionell röntgenbild (överst) gör. Konventionell röntgenbild baseras på information om hur vingen absorberar strålning.
Franz Pfeiffer , biträdande professor i fysik vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, som utvecklade den nya tekniken, jämför konventionella röntgenbilder med skuggor. Sådana bilder är beroende av information om hur mycket strålning som absorberas när den passerar genom ett prov, till exempel en patients lem. Men mer komplexa interaktioner sker, säger Pfeiffer, och ju mer information som kan samlas in om dessa interaktioner, desto bättre kontrast blir bilderna. Mörkfältsavbildning mäter hur ett prov sprider ljus.
De här killarna visar att man kan göra saker med röntgenstrålar som man bara trodde var praktiskt optiskt [med synligt ljus], säger Richard Lanza , en senior forskare vid MIT:s avdelning för kärnvetenskap och teknik.
Tidigare hade forskare inklusive Pfeiffer visat mörkfältsavbildning med en stor, dyr partikelaccelerator som kallas synkrotron som röntgenkälla. Synkrotroner ger mycket ljusa, finfokuserade strålar av röntgenstrålar. En sådan kraftfull källa var nödvändig eftersom den ineffektiva kristalloptiken som användes för att fokusera röntgenstrålningen på provet bara kunde klara av ett smalt spektrum av våglängder.
För att ersätta den ineffektiva kristalloptiken utvecklade Pfeiffer kiselfilter som arbetar med hela spektrumet av strålar som genereras av konventionella röntgenrör med låg effekt. Dessa filter är platta skivor av kisel etsade med 20 mikrometer långa slitsar, av vilka några är fyllda med guld. För att generera spridningsbilder placeras dessa galler mellan röntgenkällan och provet och mellan provet och detektorn.
Små strukturer som mikrosprickor syns bra i dessa bilder eftersom de sprider strålning ganska mycket, säger Pfeiffer. Detta tyder på att bilderna kan vara användbara för att upptäcka osteoporos eller för att hitta brister i mekaniska strukturer som turbiner.
Kanter och gränser är tydligare i mörkfältsbilderna, säger Elizabeth Brainerd , en evolutionär biolog vid Brown University, som använder röntgenstrålar för att studera benens biomekanik. (Se Catching Evolution on the Run .) Det kan vara svårt att särskilja små ben och leder i konventionella röntgenbilder. Brainerd håller med om att mörkfältsbilder kan vara användbara för att upptäcka små frakturer och bensporrar hos patienter, och hon är exalterad över möjligheten att utöka Pfeiffers teknik till tredimensionella CT-skanningar.
Pfeiffers tillvägagångssätt kan också användas för att förbättra säkerhetssystemen. Konventionella röntgenbilder som de vid säkerhetskontroller på flygplatser kan inte skilja mellan många olika typer av material - till exempel choklad och ost verkar identiska med vissa sprängämnen. Men ost och sprängämnen sprider röntgenstrålar på olika sätt, så i Pfeiffers mörka fältbilder är skillnaderna mellan de två materialen uppenbara.
Pfeiffer har redan börjat göra datortomografi med konventionella röntgenrör med en annan kontrasthöjande teknik som han utvecklade för två år sedan, kallad faskontrast. Han säger att han för närvarande arbetar med att införliva galler för mörkfältsavbildning i konventionella CT-enheter. Han samarbetar också med forskare vid Centrum för biomedicinsk bildbehandling , ett institut som drivs av universitetet i Lausanne och universitetet i Genève, för att avgöra huruvida mörkfältsröntgen kan användas för att skilja frisk vävnad från cancervävnad. Cancer absorberar inte röntgenstrålar mycket annorlunda än frisk vävnad gör, så röntgensystem som förlitar sig på andra egenskaper, såsom spridning, kan till exempel ge bättre mammografi. Lanzas grupp vid MIT arbetar också med att utveckla bättre cancerupptäckande CT-skannrar som använder en kombination av absorption och refraktion för kontrast och som även förlitar sig på nanotillverkade galler. (Se Ändra fysiken bakom röntgenbilder.)
Mörkfältsavbildning har använts i mer än 20 år för att förbättra kontrast och upplösning i konventionella optiska mikroskop. Men att tillämpa de kontrasthöjande teknikerna som fungerar bra med synligt ljus på röntgenstrålar har tagit lång tid, säger Pfeiffer. Ett sådant system är först nu möjligt tack vare framstegen inom fotolitografi och många års grundläggande vetenskaplig forskning med synkrotroner, säger han.
Pfeiffer föreställer sig att framtida röntgenbildsystem kommer att se ut som ljusmikroskop är idag: de kommer att införliva många komplementära system för att förbättra kontrast-absorption, refraktion, spridning och läkare och forskare kommer att kunna använda den kombination som fungerar bäst för en given prov.