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去除透镜的新无焦点技术将让医疗成像等大量应用受益
2022-01-14 11:24:56 来源: cnBeta.COM

研究人员开发了一种新的无焦点技术,其可用来通过X射线荧光创建化学地图。该方法提供了快速、高分辨率的测量,这对于分析化学成分在生物医学、材料科学、考古学、艺术和工业中的一系列应用可能非常有用。

“我们的新方法结合了众所周知的计算鬼成像和X射线荧光测量技术,进而创造一种高分辨率和高效的方式来制作化学元素图,”来自以色列Bar Ilan大学的研究小组负责人Sharon Shwartz说道,“我们预计它将允许以比现在更高的分辨率绘制更大的物体的化学图谱,同时还能对复杂的三维物体进行测量。”

Shwartz及其同事在最新发表的研究文章中描述了他们新的X射线计算鬼荧光技术。该方法不需要任何聚焦并减少了所需的扫描,这大大缩短了测量时间。另外,它可以被调谐以检测特定的元素,同时对人体组织视而不见,这可以实现新的应用如改善隐私的全身安全扫描器。

Shwartz指出:“医学成像是在镜头不实用的X射线能量下进行的,也可以从我们的方法中受益。它可以通过提高组织对比度来提高医学X射线成像的质量,或用于减少获得有用图像所需的X射线剂量。”

看到表面下的东西

X射线荧光是通过测量样品被X射线源激发后发出的荧光来确定样品中的化学元素。用这种无损分析技术获得的数据可用于创建化学图谱,比如这些图谱可以揭示名画中的隐藏层次或被用于检查关键的航空航天部件。

用X射线荧光绘制化学元素图传统上包括聚焦输入的X射线束,然后测量从该区域发射的荧光。通过逐点扫描样品并记录每个点的荧光强度来构建化学地图。然而由于需要扫描,这种方法非常慢。而且,测量的空间分辨率还会受到用于聚焦的镜头能力的限制。

Shwartz说道:“当使用高于20KeV的X射线能量或试图获得三维信息时,这些限制变得更加突出。尽管更高的X射线能量可以实现对更厚的物体或含有密集和重元素的样品进行化学制图,但由于标准技术的限制,不可能使用这些更高的光子能量。”

去除透镜

研究人员转向计算型鬼成像以消除传统X射线荧光分析的一些限制。这种非传统的成像方法通过关联两束光来工作,这两束光并不单独携带关于物体的任何有意义的信息。一个光束编码一个随机图案作为参考,且从不直接探测样品,而另一个光束则负责跟样品发生互动。

研究人员修改了鬼成像方法以便它可以被用于绘制化学元素。尽管鬼成像方法通常涉及测量透射辐射,但研究人员测量的是发射的荧光。

Shwartz表示:“测量X射线荧光使我们能够根据其独特的发射光谱来识别每个化学元素。通过使用一个能够分辨出发射辐射能量的探测器,我们可以确定每个元素对检测到的辐射的贡献。”

鬼成像所需的随机图案通常是通过在用于照射物体的光束强度上增加一个已知的空间调制或变化来创建。研究人员通过对不同的输入光束强度模式重复进行荧光测量来实现这一点。

将其放在一起

新X射线计算幽灵荧光方法为每个光子能量产生两套数据--一套是输入光束的空间分布,另一套是发射的荧光测量值。然后,一个计算机程序将这些数据放在一起并叠加来自各种光子能量的所有成像数据以创建一个物体的化学元素图。

研究人员使用他们的新方法创建了一个由铁和钴制成的物体的化学元素图。他们表明,跟标准的基于扫描的技术相比,使用压缩感应算法将扫描次数减少了近10倍。

Shwartz说道:“由于我们的设置非常简单且可以提供比今天的方法更好的性能,我们期望它将在许多学科中打开新的可能性,包括生物学、化学、艺术和考古学。而且,将我们的方法直接扩展到更高的光子能量,这是目前的方法无法达到的。”

下一步,他们计划将新方法应用于三维化学制图并证明该方法对医学成像的适用性。

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责任编辑: jkl2