Un metodo di imaging a raggi X di tracciamento del raggio in vitro che raggiunge la sensibilità di fase 2D e la risoluzione isotropica con campionamento unidirezionale

Ray tracing 2D e frequenza unidirezionale

La Figura 1 mostra un diagramma schematico della configurazione di tracciamento del raggio 2D utilizzata per l’acquisizione di immagini planari e la scansione micro-CT; Una descrizione della configurazione è disponibile nella sezione “Metodi”. È stata utilizzata una maschera costituita da una matrice bidimensionale di aperture circolari. Il diametro dei fori Dott = 19 µm e periodi diversi S_H E S_Quinto lungo la direzione orizzontale e verticale, rispettivamente; Gli intervalli sono stati determinati dalla spaziatura tra fasci consecutivi nelle rispettive direzioni S_Quinto= 39 micron f S_H= 156 µm. I dettagli completi sul design della maschera sono forniti nel paragrafo successivo.

Schema (non in scala) del setup sperimentale. La direzione della frequenza (scansione del campione) è indicata da una freccia rossa tratteggiata.

Disegno della maschera

Finché si ottiene una separazione sufficiente tra le travi, il diametro dell’apertura DottÈ il driver definitivo della fedeltà del sistema, indipendentemente dalla confusione generale del sistema B_H, A causa della fonte e del rivelatore. Sfocatura del sistema gaussiano, B_H,può essere ottenuto collegando la distribuzione di origine Sud-ovest_{H EQuinto} Proiettato sul rilevatore utilizzando la funzione punto di diffusione del rilevatore PSF_H,quindi riporta la funzione risultante al livello della maschera,

Dove MEra il fattore zoom²⁶. L’effettiva separazione dei piccoli fasci nel rivelatore si ottiene quando le dimensioni della sezione trasversale dei fasci, ingrandite rispetto al piano del rivelatore ed espanse dall’effetto della sorgente estesa e del rivelatore PSF, sono inferiori ai corrispondenti periodi amplificati. S_H E S_QuintoQualunque:

Come si può vedere dalle Eq. (1) e (2), il design della maschera è in gran parte determinato dalla specifica configurazione sperimentale utilizzata. Nel nostro caso, il punto focale della sorgente di raggi X è lungo gli assi orizzontale e verticale, Sud-ovest_H,, stimato in circa 10 µm di larghezza intera a metà massimo (FWHM). Il rilevatore PSF è stato pre-scalato per essere gaussiano con FWHM di 120 µm lungo entrambe le direzioni.²⁷. fattore di zoom della maschera, M, erano le 5.11. Pertanto la sfocatura del sistema (equazione (1)) è di 29 µm in entrambe le direzioni. Il diametro del foro Dott = 19 µm è stato scelto. Secondo l’Eq. (2), il FWHM per piccoli raggi in entrambe le direzioni, degonfiato a livello della maschera, è di 31 μm. Supponendo che i piccoli fasci si sovrappongano l’un l’altro a <10% del loro valore di picco lungo la direzione verticale per consentire la loro separazione sufficiente, ciò si traduce in una distanza tra due fenditure adiacenti lungo la direzione verticale di almeno 56 μm. Poiché le travi piccole sono distribuite equamente nelle direzioni orizzontale e verticale come menzionato sopra, lo stesso criterio di separazione si applica alla spaziatura orizzontale tra le fessure. Nel nostro progetto, abbiamo applicato il criterio della "separazione minima 56 µm" a un progetto sfalsato (compensando metà della campata orizzontale per ogni altra fila di slot) in cui la separazione verticale tra gli slot è inferiore a quella orizzontale e ha aggiunto un margine di sicurezza a (un ) eliminare il rischio nel primo studio proof-of-concept Questi e (b) essere in grado di utilizzare la maschera anche con altre combinazioni sorgente/rivelatore. Abbiamo adottato un "margine di sicurezza" di circa il 40%, separando i fasci adiacenti di 78 µm. Il raggiungimento della risoluzione isotropica con stabilità unidirezionale richiede anche che il periodo orizzontale sia un multiplo intero del verticale: tutte queste condizioni combinate hanno portato alla selezione di 39 μm per S_Quinto e 4x S_Quinto= 156 micron l S_H. L’idoneità di questo modello di maschera a soddisfare i requisiti della metodologia inizialmente proposta è stata studiata mediante simulazioni; Una descrizione della simulazione e dei suoi risultati è fornita nel materiale supplementare.

Va inoltre notato che, per i motivi sopra descritti, il design della maschera in questo studio proof-of-concept non corrisponde alla copertura completa del campione lungo la direzione verticale, in quanto vi sono già degli spazi tra le successive file di aperture poiché S_Quinto> Dott . È possibile prelevare campioni più fini lungo la direzione verticale al costo di una maggiore spaziatura dell’apertura nella direzione orizzontale, e anche questo è stato discusso in modo più dettagliato nel materiale supplementare.

immagini piatte

Le immagini planari sono state acquisite seguendo la procedura descritta nella sezione “Metodi”. Le immagini planari recuperate da sfere e campioni di fili incrociati sono mostrate nelle Figg. 2 e 3, rispettivamente. Entrambe le immagini mostrano attenuazione e rifrazione lungo X E si asse e stadio integrato. Si osserva un gradiente attraverso le immagini di fase recuperate (lo sfondo non era coerente in tutte le immagini nelle figure 2b e 3b) che è attribuito a piccoli errori nei segnali di rifrazione recuperati; Questo è discusso alla fine della sezione.

attenuazione (UN), stadio integrato (B), rifrazione lungo X il mozzo (C), e rifrazione lungo si il mozzo (Dott), per palline campione.

attenuazione (UN), stadio integrato (B), rifrazione lungoXil mozzo (C), e rifrazione lungosiil mozzo (Dott) per il campione di filo incrociato.

Per studiare le proprietà isotropiche dei segnali lungo l’orizzontale ( X ) e verticale ( si ), i profili sono stati tracciati attraverso il centro del campo PMMA per segnali di attenuazione e fase lungo entrambe le direzioni e sono illustrati in Fig. 4. È stato sottolineato che la risoluzione spaziale isotropa è stata ottenuta attraverso la direzione orizzontale e verticale, mentre il gradiente solo la direzione orizzontale è stato implementato.

caratteristiche di attenuazione (UN) e la fase integrata (B), lungo il centro della sfera PMMA (mostrata in Fig. 2). X (linea continua nera) f sitendenza (linea rossa tratteggiata).

assorbimento a termine beta e diminuire l’indice di rifrazione d , definita nell’Eq. (7), dei quattro materiali recuperati come descritto nella sezione “Metodi” sono mostrati in Fig. 5. L’energia effettiva per la misurazione di fase, stimata in circa 19 keV per sfera in PMMA, sfera in PP e filo in PTFE, e 18,5 keV per filo PS, come descritto da Monroe e Olivo²⁸, come potenza spettrale media. Questo stesso valore è stato utilizzato per calcolare quanto recuperato beta Valori recuperati che concordano con i valori nominali entro incertezze. nel Rif.²⁸Monroe e Olivo discutono di come l’energia effettiva dell’adsorbimento possa differire da quella della fase e di come entrambe differiscano con lo spessore del campione. Infatti, l’energia effettiva della sfera in PMMA, della sfera in PP e del filo in PTFE era leggermente superiore rispetto all’energia nominale del filo in PS; Ciò era coerente con l’aumento dell’assorbimento, e quindi della rigidità della trave, causato dal primo. Va notato qui che sebbene qui non si osservi una differenza nell’energia effettiva tra fase e assorbimento, si ritiene che sia inferiore all’incertezza associata al recupero. betaE dValori (diffusione della deviazione standard dell’attenuazione e dei valori di fase estratti dalle immagini).

termine di assorbimento, beta(UN) e diminuire l’indice di rifrazione, d (B) estratto dall’esperimento con valori nominali.

TAC

La Figura 6 mostra le fette assiali, sagittali e coronali ricostruite del fantasma del grano sia per l’attenuazione che per il canale di fase; L’acquisizione e l’analisi dei dati sono descritte nella sezione “Metodi”.

assiale ricostruito (UNEH), sagittale (BEF) e coronale (CEG(Aerei fantasma in granuli per mitigare)UN–C) e fase (H–G) e le corrispondenti funzioni di propagazione della linea (IO) estratti dai bordi del dominio indicati da linee tratteggiate di colori corrispondenti lungo X E si E z.z assi in pannelli (HEF). Profili tramite le linee tratteggiate rosse nei piani assiali dei pannelli (UNEH) mitigare (Dott) e fase (H).

La prima osservazione di Fig. 6 è il contrasto maggiore e il rumore relativamente minore nelle immagini di fase (Fig. 6d-f) rispetto alle immagini di attenuazione (Fig. 6a-c), il rapporto contrasto-rumore (CNR) per attenuazione e fase (lungo i profili mostrati in Fig. Fig. 6) siano rispettivamente 3 e 21. Ciò è attribuito a una diminuzione dell’indice di rifrazione ddi PS è superiore al periodo di assorbimento beta a ~19 keV. La seconda osservazione è che la risoluzione spaziale sembra essere anisotropa. Infatti, dalla dimensione della fase lungo X Ez.zEsirispettivamente, che dimostra la capacità della maschera proposta di ottenere una risoluzione spaziale isotropa nonostante la frequenza unidirezionale. Le funzioni di propagazione della linea estratte dai bordi della sfera lungo i tre assi sono mostrate in Fig. 6 (i). La dimensione del voxel, tenendo conto dell’ingrandimento a livello di campione, era di 47 µm x 47 µm x 47 µm.

È stata inoltre verificata la compatibilità della metodologia proposta per ottenere la risoluzione spaziale isotropa con frequenza unidirezionale su un campione biologico complesso, cuore di ratto; L’acquisizione e l’analisi dei dati sono descritte nella sezione “Metodi”. Le fette assiali, sagittali e coronali ricostruite del cuore di ratto per entrambi i canali di attenuazione e di fase sono mostrate in Fig. 7. Come si può vedere visivamente, la risoluzione spaziale sembra essere isotropica.

assiale ricostruito (UNEDott), sagittale (BEH) e coronale (CEF(piani di cuore di ratto per mitigare)UN–C) e fase (Dott–F) canali.

Il gradiente attraverso le fette di fase ricostruite può essere visto in Fig. 7, e il segnale di fase all’interno delle camere cardiache era più alto rispetto allo sfondo all’esterno dell’organo. Ciò è dovuto a piccoli errori nei segnali di rifrazione recuperati. Le instabilità del sistema derivanti da componenti del sistema che variano nel tempo a causa di vibrazioni e/o fluttuazioni di temperatura, ad esempio, possono provocare spostamenti orizzontali e verticali della maschera, che possono portare a errori nella stima della piccola variazione di posizione del raggio causata dalla rifrazione nel campione. È stato dimostrato che gli algoritmi di recupero basati sull’adattamento della curva non lineare risolti con metodi dei minimi quadrati, tenendo conto anche dell’instabilità del sistema, rimuovono i difetti del gradiente nelle sezioni di fase ricostruite nel contrasto di fase dei raggi X dell’illuminazione del bordo CT.²⁹. Algoritmi di recupero simili saranno presi in considerazione in futuri lavori sul ray tracing 2D, l’imaging a contrasto di fase a raggi X e la tomografia computerizzata.