Sulla quantificazione della microstruttura del campione utilizzando single

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11001 (2023) Citare questo articolo

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La dimensione della più piccola caratteristica del campione rilevabile in un sistema di imaging a raggi X è solitamente limitata dalla risoluzione spaziale del sistema. Questa limitazione può ora essere superata utilizzando il segnale diffusivo del campo scuro, che è generato da effetti di fase non risolti o dalla diffusione di raggi X ad angolo ultra piccolo da microstrutture del campione non risolte. Una misura quantitativa di questo segnale in campo oscuro può essere utile per rivelare le dimensioni della microstruttura o del materiale per la diagnosi medica, lo screening di sicurezza e la scienza dei materiali. Recentemente, abbiamo derivato un nuovo metodo per quantificare il segnale diffusivo del campo scuro in termini di angolo di diffusione utilizzando un approccio basato su griglia a esposizione singola. In questo manoscritto, esaminiamo il problema di quantificare la dimensione della microstruttura del campione da questo segnale in campo scuro a esposizione singola. Lo facciamo quantificando il segnale diffusivo del campo scuro prodotto da 5 diverse dimensioni di microsfere di polistirene, che vanno da 1,0 a 10,8 µm, per studiare come la forza del segnale del campo scuro estratto cambia con la dimensione della microstruttura del campione, \(S\ ). Esploriamo anche la fattibilità dell'esecuzione di imaging in campo scuro a esposizione singola con una semplice equazione per la distanza di propagazione ottimale, data la microstruttura con dimensioni e spessore specifici, e mostriamo la coerenza tra questo modello e i dati sperimentali. Il nostro modello teorico prevede che l'angolo di diffusione del campo scuro sia inversamente proporzionale a \(\sqrt{S}\), il che è anche coerente con i nostri dati sperimentali.

Con i progressi nei generatori e rilevatori di raggi X, nonché con l'introduzione della tomografia computerizzata1,2, l'imaging a raggi X è diventato una tecnica ampiamente utilizzata che rivela in modo non invasivo la struttura interna di un campione. L'imaging a raggi X convenzionale manifesta la differenza nella capacità di attenuazione dei diversi materiali nel campione, per creare contrasto nell'immagine. Attualmente è una delle tecniche di imaging standard utilizzate nella pratica clinica, nella scienza dei materiali e nello screening di sicurezza3. Tuttavia, il contrasto dell'immagine è significativamente ridotto per i campioni costituiti da materiali debolmente attenuanti, come i tessuti biologici molli. Negli ultimi decenni sono state sviluppate tecniche avanzate di imaging a raggi X note come imaging a raggi X a contrasto di fase (PCXI), per migliorare il contrasto dell'immagine per campioni costituiti da materiali con proprietà attenuanti simili. PCXI copre una serie di tecniche che convertono lo sfasamento sperimentato dal campo d'onda dei raggi X mentre passa attraverso il campione, in una modulazione di intensità che può essere misurata su un rilevatore. Gli esempi includono l'imaging basato sulla propagazione (PBI)4,5,6,7, l'imaging basato sull'analizzatore (ABI)8,9,10,11, l'interferometria del reticolo (GI)12,13,14,15, l'illuminazione dei bordi ( EI)16,17,18,19, imaging a griglia singola20,21 e imaging basato su macchie22,23.

La dimensione della più piccola caratteristica del campione rilevabile, in un sistema di imaging a raggi X, è tipicamente limitata dalla risoluzione spaziale del sistema. L'imaging diffusivo in campo scuro (d'ora in poi denominato "imaging in campo scuro" per semplicità) è un modo per aggirare questo limite. Tale imaging in campo scuro esamina la diffusione diffusa, ad esempio la diffusione di raggi X a piccolo angolo (SAXS) o la diffusione di raggi X ad angolo ultrapiccolo (USAXS), dalle microstrutture del campione, al fine di rilevarne la presenza. Il segnale in campo scuro è utile poiché può rivelare la presenza di microstruttura del campione spazialmente casuale, che altrimenti sarebbe invisibile quando si utilizzano le tecniche di imaging a raggi X convenzionali o a contrasto di fase a campo pieno. La modalità campo scuro ha il potenziale per essere efficiente in termini di dose, in quanto consente l'uso di un rilevatore con una dimensione di pixel maggiore (e quindi probabilmente un'efficienza maggiore) di quanto sarebbe richiesto se le funzionalità di generazione del campo scuro dovessero funzionare. essere risolti direttamente.

Il segnale in campo scuro è stato misurato qualitativamente utilizzando la maggior parte delle tecniche PCXI, sia tramite un approccio in cui le informazioni in campo scuro vengono estratte dal contrasto osservato attraverso un quartiere di pixel (come PBI24,25 e imaging a griglia singola20,26, 27), o tramite un approccio in cui il campo scuro viene estratto pixel per pixel da esposizioni multiple (come ABI28, GI29 e EI30,31,32). Un caso interessante è lo speckle-tracking a esposizione multipla, in cui il campo scuro viene estratto da quartieri locali di pixel attraverso esposizioni multiple. Vale la pena notare che il segnale del campo scuro è stato recuperato da configurazioni basate su macchioline utilizzando approcci espliciti23,33,34 e impliciti35,36,37 per analizzare come cambiano le macchioline. Negli approcci espliciti di tracciamento delle macchie, i cambiamenti/movimenti nelle macchie vengono tracciati in ciascun quartiere locale di pixel, mentre negli approcci di tracciamento implicito delle macchie, i cambiamenti nelle macchie vengono tracciati osservando come l'intensità si traduce e si diffonde nell'intero immagine, utilizzando una fase di analisi dell'intera immagine. L'imaging a raggi X in campo scuro trova ulteriori applicazioni se il segnale in campo scuro viene quantificato e correlato alle proprietà della microstruttura del campione38,39,40,41,42,43,44, al fine di estrarre la dimensione, il materiale o la disposizione delle singole microstrutture.