Imagem de raios-X com contraste de fase - Phase-contrast X-ray imaging

Absorção de raios-X (esquerda) e imagem de contraste de fase diferencial (direita) de um fone de ouvido obtido com um interferômetro de grade a 60kVp

Imagem de raios-X com contraste de fase ( PCI ) ou imagem de raios-X com sensibilidade de fase é um termo geral para diferentes métodos técnicos que usam informações sobre mudanças na fase de um feixe de raios-X que passa por um objeto para criar seu imagens. As técnicas de imagem de raios-X padrão, como radiografia ou tomografia computadorizada (TC), dependem de uma diminuição da intensidade do feixe de raios-X ( atenuação ) ao atravessar a amostra , o que pode ser medido diretamente com o auxílio de um detector de raios-X . No PCI, entretanto, o deslocamento de fase do feixe causado pela amostra não é medido diretamente, mas é transformado em variações de intensidade, que podem ser registradas pelo detector.

Além de produzir imagens de projeção , o PCI, assim como a transmissão convencional, pode ser combinado com técnicas tomográficas para obter a distribuição 3D da parte real do índice de refração da amostra. Quando aplicado a amostras que consistem em átomos com baixo número atômico Z , o PCI é mais sensível às variações de densidade na amostra do que a imagem convencional de raios-X baseada em transmissão . Isso leva a imagens com contraste melhorado dos tecidos moles .

Nos últimos anos, uma variedade de técnicas de imagem de raios-X com contraste de fase foram desenvolvidas, todas baseadas na observação de padrões de interferência entre ondas difratadas e não-difratadas. As técnicas mais comuns são interferometria de cristal, imagem baseada em propagação, imagem baseada em analisador, iluminação de borda e imagem baseada em grade (veja abaixo).

História

O primeiro a descobrir os raios X foi Wilhelm Conrad Röntgen em 1895, razão pela qual ainda hoje são às vezes referidos como "raios de Röntgen". Ele descobriu que os "novos tipos de raios" tinham a capacidade de penetrar materiais opacos para a luz visível , e assim registrou a primeira imagem de raio-X, mostrando a mão de sua esposa. Ele foi agraciado com o primeiro Prêmio Nobel de Física em 1901 "em reconhecimento aos serviços extraordinários que prestou pela descoberta dos raios notáveis posteriormente nomeados em sua homenagem". Desde então, os raios X foram usados como uma ferramenta inestimável para determinar de forma não destrutiva a estrutura interna de diferentes objetos, embora a informação tenha sido obtida por muito tempo medindo apenas a intensidade transmitida das ondas, e a informação de fase não fosse acessível .

O princípio da imagem de contraste de fase em geral foi desenvolvido por Frits Zernike durante seu trabalho com grades de difração e luz visível. A aplicação de seus conhecimentos à microscopia lhe valeu o Prêmio Nobel de Física em 1953. Desde então, a microscopia de contraste de fase tem sido um importante campo da microscopia óptica .

A transferência da imagem de contraste de fase da luz visível para os raios X demorou muito devido ao lento progresso na melhoria da qualidade dos feixes de raios X e à indisponibilidade de ópticas de raios X (lentes). Na década de 1970, percebeu-se que a radiação síncrotron emitida por partículas carregadas circulando em anéis de armazenamento construídos para experimentos de física nuclear de alta energia era potencialmente uma fonte muito mais intensa e versátil de raios-X do que os tubos de raios-X . A construção de síncrotrons e anéis de armazenamento , voltados explicitamente para a produção de raios-X, e o progresso no desenvolvimento de elementos ópticos para raios-X foram fundamentais para o maior avanço da física de raios-X.

O trabalho pioneiro para a implementação do método de contraste de fase na física de raios-X foi apresentado em 1965 por Ulrich Bonse e Michael Hart, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Cornell, Nova York. Eles apresentaram um interferômetro de cristal , feito de um único cristal grande e altamente perfeito . Não menos de 30 anos depois, os cientistas japoneses Atsushi Momose, Tohoru Takeda e colegas de trabalho adotaram essa ideia e a refinaram para aplicação em imagens biológicas, por exemplo, aumentando o campo de visão com a ajuda de novas configurações e técnicas de recuperação de fase . O interferômetro de Bonse-Hart fornece várias ordens de magnitude maior de sensibilidade em amostras biológicas do que outras técnicas de contraste de fase, mas não pode usar tubos de raios-X convencionais porque os cristais aceitam apenas uma banda de energia muito estreita de raios-X (Δ E / E ~ 10 ⁻⁴ ). Em 2012, Han Wen e colegas de trabalho deram um passo à frente, substituindo os cristais por grades de fase nanométrica. As grades se dividem e direcionam os raios-X em um amplo espectro, eliminando assim a restrição da largura de banda da fonte de raios-X. Eles detectaram curvatura refrativa sub nano- radiana de raios-X em amostras biológicas com uma grade de interferômetro Bonse-Hart.

A. Snigirev

Ao mesmo tempo, duas outras abordagens para imagens de contraste de fase surgiram com o objetivo de superar os problemas da interferometria de cristal. A técnica de imagem baseada em propagação foi introduzida principalmente pelo grupo de Anatoly Snigirev [ de ] no ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) em Grenoble, França, e foi baseada na detecção de "franjas de Fresnel" que surgem em certas circunstâncias no free propagação de espaço. A configuração experimental consistia em uma configuração em linha de uma fonte de raios-X, uma amostra e um detector e não exigia nenhum elemento óptico. Era conceitualmente idêntico à configuração do trabalho revolucionário de Dennis Gabor sobre holografia em 1948.

Uma abordagem alternativa chamada imagem baseada em analisador foi explorada pela primeira vez em 1995 por Viktor Ingal e Elena Beliaevskaya no laboratório de raios-X em São Petersburgo, Rússia, e por Tim Davis e colegas da Divisão CSIRO (Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth) da Ciência e Tecnologia de Materiais em Clayton, Austrália. Este método usa um cristal de Bragg como filtro angular para refletir apenas uma pequena parte do feixe que preenche a condição de Bragg em um detector. Contribuições importantes para o progresso deste método foram feitas por uma colaboração dos Estados Unidos das equipes de pesquisa de Dean Chapman, Zhong Zhong e William Thomlinson, por exemplo, a extração de um sinal adicional causado por espalhamento de ângulo ultrapequeno e a primeira imagem de TC feita com imagens baseadas em analisador. Uma alternativa à imagem baseada em analisador, que fornece resultados equivalentes sem exigir o uso de um cristal, foi desenvolvida por Alessandro Olivo e colegas de trabalho no síncrotron Elettra em Trieste, Itália. Este método, chamado de “iluminação de borda”, opera uma seleção fina na direção dos raios X usando a borda física dos próprios pixels do detector, daí o nome. Posteriormente, a Olivo, em colaboração com Robert Speller na University College London, adaptou o método para uso com fontes convencionais de raios-X, abrindo caminho para a tradução em aplicações clínicas e outras. Peter Munro (também da UCL) contribuiu substancialmente para o desenvolvimento da abordagem baseada em laboratório, ao demonstrar que ela praticamente não impõe requisitos de coerência e que, apesar disso, ainda é totalmente quantitativa.

A abordagem mais recente discutida aqui é a chamada imagem baseada em grade, que faz uso do efeito Talbot , descoberto por Henry Fox Talbot em 1836. Este efeito de autoimagem cria um padrão de interferência a jusante de uma grade de difração . A uma determinada distância, esse padrão se assemelha exatamente à estrutura da grade e é registrado por um detector. A posição do padrão de interferência pode ser alterada trazendo um objeto no feixe, que induz uma mudança de fase. Este deslocamento do padrão de interferência é medido com a ajuda de uma segunda grade e, por certos métodos de reconstrução, são obtidas informações sobre a parte real do índice de refração. O chamado interferômetro Talbot-Lau foi inicialmente usado em interferometria atômica , por exemplo, por John F. Clauser e Shifang Li em 1994. Os primeiros interferômetros de grade de raios-X usando fontes síncrotron foram desenvolvidos por Christian David e colegas do Instituto Paul Scherrer (PSI) em Villingen, Suíça e o grupo de Atsushi Momose da Universidade de Tóquio. Em 2005, independentemente um do outro, os grupos de David e Momose incorporaram a tomografia computadorizada à interferometria de grade, o que pode ser visto como o próximo marco no desenvolvimento de imagens baseadas em grade. Em 2006, outro grande avanço foi a transferência da técnica baseada em grade para tubos convencionais de raios-X de laboratório por Franz Pfeiffer e colegas de trabalho, o que aumentou bastante o potencial da técnica para uso clínico. Cerca de dois anos depois o grupo de Franz Pfeiffer também conseguiu extrair um sinal suplementar de seus experimentos; o chamado "sinal de campo escuro" foi causado pelo espalhamento devido à microestrutura porosa da amostra e forneceu "informações estruturais complementares e inacessíveis sobre a amostra na escala de comprimento do micrômetro e submicrométrico". Ao mesmo tempo, Han Wen e colegas de trabalho dos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA chegaram a uma técnica de grade muito simplificada para obter a imagem de espalhamento (“campo escuro”). Eles usaram uma única projeção de uma grade e uma nova abordagem para extração de sinal chamada "análise de Fourier de disparo único". Recentemente, muitas pesquisas foram feitas para melhorar a técnica baseada em grade: Han Wen e sua equipe analisaram ossos de animais e descobriram que a intensidade do sinal de campo escuro depende da orientação da grade e isso é devido à anisotropia da estrutura óssea. Eles fizeram um progresso significativo em relação às aplicações biomédicas, substituindo a varredura mecânica das grades pela varredura eletrônica da fonte de raios-X. O campo de TC de contraste de fase baseado em grade foi ampliado por imagens tomográficas do sinal de campo escuro e TC de contraste de fase resolvido no tempo. Além disso, foram publicados os primeiros estudos pré-clínicos usando imagens de raios-X com contraste de fase baseadas em grades. Marco Stampanoni e seu grupo examinaram o tecido mamário nativo com "mamografia de contraste de fase diferencial", e uma equipe liderada por Dan Stutman investigou como usar imagens baseadas em grade para as pequenas articulações da mão.

Mais recentemente, um avanço significativo na imagem baseada em grade ocorreu devido à descoberta de um efeito moiré de fase por Wen e colegas. Isso levou a interferometria além da faixa de autoimagem do Talbot, usando apenas grades de fase e fontes e detectores convencionais. As grades de fase de raios-X podem ser feitas com períodos muito finos, permitindo assim a geração de imagens em baixas doses de radiação para atingir alta sensibilidade.

Princípio físico

Desenho de atenuação e mudança de fase da propagação de onda eletromagnética no meio com índice complexo de refração n

A imagem convencional de raios-X usa a queda de intensidade por meio da atenuação causada por um objeto no feixe de raios-X e a radiação é tratada como raios, como na óptica geométrica . Mas quando os raios X passam por um objeto, não apenas sua amplitude, mas também sua fase é alterada. Em vez de raios simples , os raios X também podem ser tratados como ondas eletromagnéticas . Um objeto, então, pode ser descrito por seu índice de refração complexo (cf.):

{\ displaystyle n = 1- \ delta + i \ beta}

.

O termo $δ$ é o decréscimo da parte real do índice de refração, e a parte imaginária $β$ descreve o índice de absorção ou coeficiente de extinção. Observe que, em contraste com a luz óptica, a parte real do índice de refração é menor do que, mas perto da unidade, isso é "devido ao fato de que o espectro de raios-X geralmente se encontra no lado de alta frequência de várias ressonâncias associadas com o ligação de elétrons ". A velocidade de fase dentro do objeto é maior do que a velocidade da luz c . Isso leva a um comportamento diferente dos raios X em um meio em comparação com a luz visível (por exemplo, ângulos de refração têm valores negativos), mas não contradiz a lei da relatividade ", que exige que apenas os sinais que transportam informações não viajem mais rápido do que c . os sinais se movem com a velocidade do grupo , não com a velocidade da fase, e pode ser mostrado que a velocidade do grupo é de fato menor que c . "

O impacto do índice de refração no comportamento da onda pode ser demonstrado com uma onda se propagando em um meio arbitrário com um índice de refração fixo $n$ . Por razões de simplicidade, uma onda plana monocromática sem polarização é assumida aqui. A onda se propaga na direção normal à superfície do meio, denominada z neste exemplo (veja a figura à direita). A função de onda escalar no vácuo é

{\ displaystyle \ Psi (z) = E_ {0} e ^ {ikz}}

.

No meio, o número de onda angular muda de $k$ para $nk$ . Agora, a onda pode ser descrita como:

{\ displaystyle \ Psi (z) = E_ {0} e ^ {inkz} = E_ {0} e ^ {i (1- \ delta) kz} e ^ {- \ beta kz}}

,

onde $δkz$ é o deslocamento de fase e $e -β kz$ é um fator de decaimento exponencial que diminui a amplitude $E 0$ da onda.

Em termos mais gerais, o deslocamento de fase total do feixe que propaga uma distância z pode ser calculado usando a integral

{\ displaystyle \ Phi (z) = {\ frac {2 \ pi} {\ lambda}} \ int _ {0} ^ {z} \! \ delta (z ') \, \ mathrm {d} z'}

,

onde $λ$ é o comprimento de onda do feixe de raios-X incidente. Esta fórmula significa que o deslocamento de fase é a projeção do decréscimo da parte real do índice de refração na direção da imagem. Isso atende ao requisito do princípio tomográfico , que afirma que "os dados de entrada para o algoritmo de reconstrução devem ser uma projeção de uma quantidade f que veicula informações estruturais dentro de uma amostra. Em seguida, pode-se obter um tomograma que mapeia o valor f ." Em outras palavras, na imagem de contraste de fase, um mapa da parte real do índice de refração $δ (x, y, z)$ pode ser reconstruído com técnicas padrão, como retroprojeção filtrada, que é análoga à tomografia computadorizada de raios-X convencional, onde um mapa da parte imaginária do índice de refração pode ser recuperado.

Para obter informações sobre a composição de uma amostra, basicamente a distribuição de densidade da amostra, deve-se relacionar os valores medidos para o índice de refração aos parâmetros intrínsecos da amostra, tal relação é dada pelas seguintes fórmulas:

{\ displaystyle \ beta = {\ frac {\ rho _ {a} \ sigma _ {a}} {2k}}}

,

onde $ρ a$ é a densidade do número atômico, $σ a$ a seção transversal de absorção , $k$ o comprimento do vetor de onda e

{\ displaystyle \ delta = {\ frac {\ rho _ {a} p} {k}}}

,

onde $p é$ a seção transversal de deslocamento de fase.

Longe das bordas de absorção (picos na seção de choque de absorção devido à maior probabilidade de absorção de um fóton que tem uma frequência próxima à frequência de ressonância do meio), os efeitos de dispersão podem ser desprezados; este é o caso de elementos leves ( número atômico Z <40) que são os componentes do tecido humano e energias de raios-X acima de 20 keV, que são tipicamente usados em imagens médicas. Assumindo essas condições, a seção transversal de absorção é aproximadamente indicada por

{\ displaystyle \ sigma _ {a} = 0,02 [{\ text {barn}}] \ left ({\ frac {k_ {0}} {k}} \ right) ^ {3} Z ^ {4}}

onde 0,02 é uma constante dada em barn , a unidade típica de área de seção transversal de interação de partícula, $k$ o comprimento do vetor de onda , $k 0$ o comprimento de um vetor de onda com comprimento de onda de 1 Angstrom e $Z$ o número atômico . A fórmula válida sob essas condições para a seção transversal de deslocamento de fase é:

{\ displaystyle p = {\ frac {2 \ pi Zr_ {0}} {k}}}

onde $Z$ é o número atómico , $k$ o comprimento do vector de onda , e $r 0$ o raio de electrões clássica .

Isso resulta nas seguintes expressões para as duas partes do índice complexo de refração:

{\ displaystyle \ delta = {\ frac {\ rho _ {a} p} {k}} = {\ frac {2 \ pi \ rho _ {a} Zr_ {0}} {k ^ {2}}}}

{\ displaystyle \ beta = {\ frac {\ rho _ {a} \ sigma _ {a}} {2k}} = 0,01 [{\ text {barn}}] \ rho _ {a} k_ {0} ^ { 3} \ left ({\ frac {Z} {k}} \ right) ^ {4}}

A inserção de valores típicos de tecido humano nas fórmulas dadas acima mostra que $δ$ é geralmente três ordens de magnitude maior do que $β$ na faixa de raios-X de diagnóstico. Isso implica que a mudança de fase de um feixe de raios-X que se propaga através do tecido pode ser muito maior do que a perda de intensidade, tornando assim a PCI mais sensível às variações de densidade no tecido do que a imagem de absorção.

Devido às proporcionalidades

{\ displaystyle \ beta \ propto k ^ {- 4}}

,

{\ displaystyle \ delta \ propto k ^ {- 2}}

a vantagem do contraste de fase sobre o contraste de absorção convencional até aumenta com o aumento da energia. Além disso, como a formação da imagem de contraste de fase não está intrinsecamente ligada à absorção de raios-X na amostra, a dose absorvida pode ser potencialmente reduzida usando energias de raios-X mais altas.

Como mencionado acima, em relação à luz visível, a parte real do índice de refração n pode se desviar fortemente da unidade (n do vidro na luz visível varia de 1,5 a 1,8), enquanto o desvio da unidade para os raios X em diferentes meios é geralmente de ordem de 10 ⁻⁵ . Assim, os ângulos de refração causados na fronteira entre dois meios isotrópicos calculados com a fórmula de Snell também são muito pequenos. A consequência disso é que os ângulos de refração dos raios X que passam por uma amostra de tecido não podem ser detectados diretamente e geralmente são determinados indiretamente pela "observação do padrão de interferência entre ondas difratadas e não difratadas produzidas por variações espaciais da parte real do índice de refração . "

Realização experimental

Interferometria de cristal

Desenho do interferômetro de cristal

A interferometria de cristal , às vezes também chamada de interferometria de raios-X , é o método mais antigo, mas também o mais complexo, usado para realização experimental. Ele consiste em três divisores de feixe na geometria Laue alinhados paralelamente uns aos outros. (Veja a figura à direita) O feixe incidente, que geralmente é colimado e filtrado por um monocromador (cristal de Bragg) antes, é dividido no primeiro cristal (S) pela difração de Laue em dois feixes coerentes, um feixe de referência que permanece inalterado e um feixe passando pela amostra. O segundo cristal (T) atua como um espelho de transmissão e faz com que os feixes convergam um para o outro. Os dois feixes se encontram no plano do terceiro cristal (A), que às vezes é chamado de cristal analisador, e criam um padrão de interferência cuja forma depende da diferença de caminho óptico entre os dois feixes causada pela amostra. Este padrão de interferência é detectado com um detector de raios-X atrás do cristal do analisador.

Ao colocar a amostra em um estágio de rotação e registrar as projeções de diferentes ângulos, a distribuição 3D do índice de refração e, portanto, as imagens tomográficas da amostra podem ser recuperadas. Em contraste com os métodos abaixo, com o interferômetro de cristal a fase em si é medida e não qualquer alternância espacial dela. Para recuperar a mudança de fase dos padrões de interferência; uma técnica chamada fase-stepping ou varredura de franja é usada: um deslocador de fase (com a forma de uma cunha) é introduzido no feixe de referência. O deslocador de fase cria franjas de interferência retas com intervalos regulares; as chamadas franjas transportadoras. Quando a amostra é colocada na outra viga, as franjas transportadoras são deslocadas. O deslocamento de fase causado pela amostra corresponde ao deslocamento das franjas portadoras. Vários padrões de interferência são registrados para diferentes deslocamentos do feixe de referência e, analisando-os, o módulo de informação de fase 2 $π$ pode ser extraído. Essa ambigüidade da fase é chamada de efeito de envolvimento de fase e pode ser removida pelas chamadas "técnicas de desempacotamento de fase". Essas técnicas podem ser usadas quando a relação sinal-ruído da imagem é suficientemente alta e a variação de fase não é muito abrupta.

Como alternativa ao método de varredura de franja, o método da transformada de Fourier pode ser usado para extrair as informações de deslocamento de fase com apenas um interferograma, encurtando assim o tempo de exposição, mas isso tem a desvantagem de limitar a resolução espacial pelo espaçamento do portador franjas.

A interferometria de raios-X é considerada a mais sensível ao deslocamento de fase, dos 4 métodos, proporcionando conseqüentemente a maior resolução de densidade na faixa de mg / cm ³ . Mas, devido à sua alta sensibilidade, as franjas criadas por uma amostra com forte deslocamento de fase podem se tornar insolúveis; para superar este problema, uma nova abordagem chamada "imagem de raios-X com contraste de coerência" foi desenvolvida recentemente, onde em vez da mudança de fase, a mudança do grau de coerência causada pela amostra é relevante para o contraste da imagem.

Uma limitação geral para a resolução espacial deste método é dada pelo embaçamento no cristal do analisador que surge da refração dinâmica, ou seja, o desvio angular do feixe devido à refração na amostra é amplificado cerca de dez mil vezes no cristal, porque o caminho do feixe dentro do cristal depende fortemente de seu ângulo de incidência. Este efeito pode ser reduzido afinando o cristal do analisador, por exemplo, com uma espessura do analisador de 40 $μm,$ uma resolução de cerca de 6 $μm$ foi calculada. Alternativamente, os cristais de Laue podem ser substituídos por cristais de Bragg , de forma que o feixe não passe pelo cristal, mas seja refletido na superfície.

Outra limitação do método é o requisito de uma estabilidade muito alta da configuração; o alinhamento dos cristais deve ser muito preciso e a diferença do comprimento do caminho entre os feixes deve ser menor que o comprimento de onda dos raios X; para conseguir isso, o interferômetro é geralmente feito de um único bloco de silício altamente perfeito, cortando duas ranhuras. Pela produção monolítica , a coerência da rede espacial muito importante entre todos os três cristais pode ser mantida relativamente bem, mas limita o campo de visão a um tamanho pequeno (por exemplo, 5 cm x 5 cm para um lingote de 6 polegadas) e porque a amostra é normalmente colocado em um dos caminhos do feixe, o tamanho da própria amostra também é limitado pelo tamanho do bloco de silício. Configurações desenvolvidas recentemente, usando dois cristais em vez de um, ampliam consideravelmente o campo de visão, mas são ainda mais sensíveis às instabilidades mecânicas.

Outra dificuldade adicional do interferômetro de cristal é que os cristais de Laue filtram a maior parte da radiação incidente, exigindo assim uma alta intensidade de feixe ou tempos de exposição muito longos. Isso limita o uso do método a fontes de raios-X altamente brilhantes como os síncrotrons.

De acordo com as restrições da configuração, o interferômetro de cristal funciona melhor para imagens de alta resolução de pequenas amostras que causam gradientes de fase pequenos ou suaves .

Grating Bonse-Hart (interferometria)

Desenho de um interferômetro de Bonse-Hart com grade.

Para ter a sensibilidade superior da interferometria de Bonse-Hart de cristal sem algumas das limitações básicas, os cristais monolíticos foram substituídos por grades de deslocamento de fase de raios X nanométricos. As primeiras grades têm períodos de 200 a 400 nanômetros. Eles podem dividir os feixes de raios-X sobre os amplos espectros de energia de tubos de raios-X comuns. A principal vantagem dessa técnica é que ela usa a maior parte dos raios X que seriam filtrados pelos cristais. Como apenas grades de fase são usadas, a fabricação de grades é menos desafiadora do que as técnicas que usam grades de absorção. O primeiro interferômetro de rede Bonse-Hart (gBH) operou com energia de fótons de 22,5 keV e largura de banda espectral de 1,5%.

O feixe de entrada é formado por fendas de algumas dezenas de micrômetros, de modo que o comprimento de coerência transversal é maior do que o período de grade. O interferômetro consiste em três grades de fase paralelas e igualmente espaçadas e uma câmera de raios-x. O feixe incidente é difratado por uma primeira grade do período 2P em dois feixes. Estes são posteriormente difratados por uma segunda grade do período P em quatro feixes. Dois dos quatro se fundem em uma terceira grade do período 2P. Cada um é posteriormente difratado pela terceira grade. Os múltiplos feixes difratados podem se propagar por uma distância suficiente de modo que as diferentes ordens de difração sejam separadas na câmera. Existe um par de feixes difratados que se propagam da terceira grade para a câmera. Eles interferem uns com os outros para produzir franjas de intensidade se as grades estiverem ligeiramente desalinhadas umas com as outras. O par central de caminhos de difração são sempre iguais em comprimento, independentemente da energia dos raios-X ou do ângulo do feixe incidente. Os padrões de interferência de diferentes energias de fótons e ângulos de incidência estão travados em fase.

O objeto com imagem é colocado próximo à grade central. Imagens de fase absoluta são obtidas se o objeto cruza um de um par de caminhos coerentes. Se os dois caminhos passarem pelo objeto em dois locais separados por uma distância lateral d, então uma imagem de diferença de fase de Φ (r) - Φ (rd) é detectada. A etapa de escalonamento de uma das grades é executada para recuperar as imagens de fase. A imagem de diferença de fase Φ (r) - Φ (rd) pode ser integrada para obter uma imagem de deslocamento de fase do objeto.

Esta técnica alcançou sensibilidade substancialmente mais alta do que outras técnicas, com exceção do interferômetro de cristal. Uma limitação básica da técnica é a dispersão cromática da difração em grade, o que limita sua resolução espacial. Um sistema de mesa com um tubo de raios-X com alvo de tungstênio funcionando a 60 kVp terá uma resolução limite de 60 µm. Outra restrição é que o feixe de raios-X é dividido em apenas dezenas de micrômetros de largura. Uma solução potencial foi proposta na forma de imagens paralelas com múltiplas fendas.

Imagem baseada em analisador

Desenho de imagem baseada em analisador

A imagem baseada em analisador (ABI) também é conhecida como imagem aprimorada por difração (DEI) , introscopia de dispersão de fase e radiografia de imagem múltipla (MIR). Sua configuração consiste em um monocromador (geralmente um cristal único ou duplo que também colima o feixe) na frente da amostra e um cristal analisador posicionado na geometria de Bragg entre a amostra e o detector. (Veja a figura à direita)

Este cristal analisador atua como um filtro angular para a radiação proveniente da amostra. Quando esses raios X atingem o cristal do analisador, a condição de difração de Bragg é satisfeita apenas para uma faixa muito estreita de ângulos incidentes. Quando os raios X dispersos ou refratados têm ângulos incidentes fora dessa faixa, eles não serão refletidos de forma alguma e não contribuem para o sinal. Os raios X refratados dentro desta faixa serão refletidos dependendo do ângulo de incidência. A dependência da intensidade refletida no ângulo incidente é chamada de curva de balanço e é uma propriedade intrínseca do sistema de imagem, ou seja, representa a intensidade medida em cada pixel do detector quando o cristal do analisador é "balançado" (ligeiramente girado no ângulo θ) sem nenhum objeto presente e, portanto, pode ser facilmente medido. A aceitação angular típica é de alguns microrradianos a dezenas de microrradianos e está relacionada à largura total na metade do máximo (FWHM) da curva oscilante do cristal.

Quando o analisador está perfeitamente alinhado com o monocromador e, portanto, posicionado no pico da curva oscilante, uma radiografia de raios-X padrão com contraste aprimorado é obtida porque não há desfoque por fótons espalhados. Às vezes, isso é conhecido como "contraste de extinção".

Se, de outra forma, o analisador for orientado em um pequeno ângulo (ângulo de dessintonização) em relação ao monocromador, os raios X refratados na amostra por um ângulo menor serão refletidos menos, e os raios X refratados por um ângulo maior serão refletidos mais. Assim, o contraste da imagem é baseado em diferentes ângulos de refração na amostra. Para pequenos gradientes de fase, o ângulo de refração pode ser expresso como

{\ displaystyle \ Delta \ alpha = {\ frac {1} {k}} {\ frac {\ partial \ phi (x)} {\ partial x}}}

onde $k$ é o comprimento do vetor de onda da radiação incidente e o segundo termo do lado direito é a primeira derivada da fase na direção da difração. Como não é a fase em si, mas a primeira derivada da frente de fase é medida, o ABI é menos sensível a baixas frequências espaciais do que a interferometria de cristal, mas mais sensível do que o PBI.

Ao contrário dos métodos anteriores, o ABI geralmente fornece informações de fase apenas na direção da difração, mas não é sensível a desvios angulares no plano perpendicular ao plano de difração. Essa sensibilidade a apenas um componente do gradiente de fase pode levar a ambigüidades na estimativa de fase.

Ao gravar várias imagens em diferentes ângulos de desafinação, ou seja, em diferentes posições na curva de balanço, um conjunto de dados é obtido que permite a recuperação de informações quantitativas de fase diferencial. Existem vários algoritmos para reconstruir as informações das curvas oscilantes, alguns deles fornecem um sinal adicional. Este sinal vem do espalhamento de ângulo ultrabaixo por estruturas de amostra de subpixel e causa o alargamento angular do feixe e, portanto, um alargamento da forma da curva oscilante. Com base neste contraste de dispersão, um novo tipo de imagem chamado imagem de campo escuro pode ser produzido.

A imagem tomográfica com ABI pode ser feita fixando o analisador em um ângulo específico e girando a amostra em 360 ° enquanto os dados de projeção são adquiridos. Vários conjuntos de projeções são adquiridos da mesma amostra com diferentes ângulos de desafinação e, em seguida, uma imagem tomográfica pode ser reconstruída. Supondo que os cristais estejam normalmente alinhados de forma que a derivada do índice de refração seja medida na direção paralela ao eixo tomográfico, a "imagem de TC de refração" resultante mostra a imagem pura do gradiente fora do plano.

Para ABI, os requisitos de estabilidade dos cristais são menos rígidos do que para interferometria de cristal, mas a configuração ainda requer um cristal analisador perfeito que precisa ser controlado com muita precisão em ângulo e o tamanho do cristal analisador e a restrição de que o feixe precisa ser paralelo também limita o campo de visão. Além disso, como na interferometria de cristal, uma limitação geral para a resolução espacial deste método é dada pelo embaçamento no cristal do analisador devido aos efeitos de difração dinâmica , mas pode ser melhorada usando difração de incidência rasante para o cristal.

Embora o método em princípio exija radiação monocromática altamente colimada e, portanto, seja limitado a uma fonte de radiação síncrotron, foi demonstrado recentemente que o método permanece viável usando uma fonte de laboratório com um espectro policromático quando a curva de balanço é adaptada à linha espectral K $α$ radiação do material alvo.

Devido a sua alta sensibilidade a pequenas mudanças no índice de refração, este método é adequado para imagens de amostras de tecidos moles e já está implementado em imagens médicas, principalmente em mamografia para melhor detecção de microcalcificações e em estudos de cartilagem óssea.

Imagem baseada em propagação

Desenho de imagem baseada em propagação

Imagem baseada em propagação (PBI) é o nome mais comum para essa técnica, mas também é chamada de holografia em linha , imagem aprimorada por refração ou radiografia de contraste de fase . A última denominação deriva do fato de que a configuração experimental desse método é basicamente a mesma da radiografia convencional. Consiste em um arranjo em linha de uma fonte de raios-X, a amostra e um detector de raios-X e nenhum outro elemento óptico é necessário. A única diferença é que o detector não é colocado imediatamente atrás da amostra, mas a alguma distância, de modo que a radiação refratada pela amostra pode interferir no feixe inalterado. Esta configuração simples e os requisitos de baixa estabilidade fornecem uma grande vantagem deste método sobre outros métodos discutidos aqui.

Sob iluminação espacialmente coerente e uma distância intermediária entre a amostra e o detector, um padrão de interferência com "franjas de Fresnel" é criado; isto é, as franjas surgem na propagação no espaço livre no regime de Fresnel , o que significa que para a distância entre o detector e a amostra a aproximação da fórmula de difração de Kirchhoff para o campo próximo, a equação de difração de Fresnel é válida. Em contraste com a interferometria de cristal, as franjas de interferência registradas no PBI não são proporcionais à fase em si, mas à segunda derivada (o Laplaciano ) da fase da frente de onda. Portanto, o método é mais sensível a mudanças abruptas no decréscimo do índice de refração. Isso leva a um contraste mais forte delineando as superfícies e os limites estruturais da amostra ( realce da borda ) em comparação com um radiograma convencional.

O PBI pode ser usado para aumentar o contraste de uma imagem de absorção; neste caso, a informação de fase no plano da imagem é perdida, mas contribui para a intensidade da imagem ( aumento da borda da imagem de atenuação). No entanto, também é possível separar a fase e o contraste de atenuação, ou seja, reconstruir a distribuição da parte real e imaginária do índice de refração separadamente. A determinação inequívoca da fase da frente de onda ( recuperação de fase ) pode ser realizada gravando várias imagens em diferentes distâncias detector-amostra e usando algoritmos baseados na linearização da integral de difração de Fresnel para reconstruir a distribuição de fase, mas esta abordagem sofre de ruído amplificado para baixas frequências espaciais e, portanto, componentes de variação lenta podem não ser recuperados com precisão. Existem várias outras abordagens para recuperação de fase e uma boa visão geral sobre elas é fornecida em.

As reconstruções tomográficas da distribuição 3D do índice de refração ou "Holotomografia" são implementadas girando a amostra e registrando para cada ângulo de projeção uma série de imagens a distâncias diferentes.

Um detector de alta resolução é necessário para resolver as franjas de interferência, o que praticamente limita o campo de visão dessa técnica ou requer distâncias de propagação maiores. A resolução espacial alcançada é relativamente alta em comparação com os outros métodos e, uma vez que não existem elementos ópticos no feixe, é principalmente limitada pelo grau de coerência espacial do feixe. Como mencionado antes, para a formação das franjas de Fresnel, a restrição na coerência espacial da radiação utilizada é muito restrita, o que limita o método a fontes pequenas ou muito distantes, mas em contraste com a interferometria de cristal e imagem baseada em analisador a restrição na coerência temporal , ou seja, a policromática é bastante relaxada. Consequentemente, o método não pode ser usado apenas com fontes síncrotron, mas também com fontes de raios-X policromáticas de laboratório que fornecem coerência espacial suficiente, como tubos de raios-X microfocus .

Geralmente falado, o contraste da imagem fornecido por este método é inferior ao de outros métodos discutidos aqui, especialmente se as variações de densidade na amostra são pequenas. Devido à sua força em aumentar o contraste nos limites, é adequado para a imagem de amostras de fibra ou espuma. Uma aplicação muito importante do PBI é o exame de fósseis com radiação síncrotron, que revela detalhes sobre os espécimes paleontológicos que de outra forma seriam inacessíveis sem destruir a amostra.

Imagem baseada em grade

Desenho de imagem baseada em grade

A imagem baseada em grade (GBI) inclui interferometria de cisalhamento ou interferometria Talbot de raios-X (XTI) e interferometria de campo distante policromático (PFI) . Desde que o primeiro interferômetro de grade de raios X - consistindo em duas grades de fase e um cristal analisador - foi construído, várias configurações ligeiramente diferentes para este método foram desenvolvidas; A seguir, o foco está no método padrão atual que consiste em uma rede de fase e uma rede de analisador. (Veja a figura à direita).

A técnica XTI é baseada no efeito Talbot ou "fenômeno de auto-imagem", que é um efeito de difração de Fresnel e leva à repetição de uma frente de onda periódica após uma certa distância de propagação, chamada de " comprimento de Talbot ". Essa frente de onda periódica pode ser gerada por iluminação espacialmente coerente de uma estrutura periódica, como uma rede de difração e, se for assim, a distribuição de intensidade do campo de onda no comprimento de Talbot se assemelha exatamente à estrutura da rede e é chamada de auto-imagem. Também foi demonstrado que padrões de intensidade serão criados em certos comprimentos de Talbot fracionários. Na metade da distância, a mesma distribuição de intensidade aparece, exceto por um deslocamento lateral de metade do período de grade, enquanto em certas distâncias fracionárias menores de Talbot as auto-imagens têm períodos fracionários e tamanhos fracionários dos máximos e mínimos de intensidade, que se tornam visíveis na distribuição de intensidade atrás da grade, um chamado tapete Talbot. O comprimento de Talbot e os comprimentos fracionários podem ser calculados conhecendo os parâmetros da radiação iluminante e da grade iluminada e, portanto, dá a posição exata dos máximos de intensidade, que precisa ser medido em GBI. Embora o efeito Talbot e o interferômetro Talbot tenham sido descobertos e extensivamente estudados usando luz visível, ele foi demonstrado vários anos atrás também para o regime de raios X rígidos.

O Efeito Talbot óptico para luz monocromática, mostrado como um "Tapete Talbot". Na parte inferior da figura, a luz pode ser vista difratando através de uma grade, e esse padrão exato é reproduzido na parte superior da imagem (um comprimento de Talbot de distância da grade). No meio do caminho, você vê a imagem deslocada para o lado e, em frações regulares do comprimento de Talbot, as subimagens são vistas claramente.

Em GBI, uma amostra é colocada antes ou atrás da grade de fase (as linhas da grade mostram uma absorção desprezível, mas uma mudança de fase substancial) e, portanto, o padrão de interferência do efeito Talbot é modificado por absorção, refração e espalhamento na amostra. Para um objeto de fase com um pequeno gradiente de fase, o feixe de raios-X é desviado por

{\ displaystyle \ Delta \ alpha = {\ frac {1} {k}} {\ frac {\ partial \ phi (x)} {\ partial x}}}

onde $k$ é o comprimento do vetor de onda da radiação incidente e o segundo fator no lado direito é a primeira derivada da fase na direção perpendicular à direção de propagação e paralela ao alinhamento da grade. Como o deslocamento transversal das franjas de interferência é linear e proporcional ao ângulo de desvio, a fase diferencial da frente de onda é medida em GBI, semelhante ao ABI. Em outras palavras, os desvios angulares são traduzidos em mudanças de intensidade transmitida localmente. Ao realizar medições com e sem amostra, a mudança na posição do padrão de interferência causada pela amostra pode ser recuperada. O período do padrão de interferência está geralmente na faixa de alguns micrômetros , que só pode ser convenientemente resolvido por um detector de resolução muito alta em combinação com uma iluminação muito intensa (uma fonte fornecendo um fluxo muito alto) e, portanto, limita o campo de ver significativamente. Esta é a razão pela qual uma segunda grade, normalmente uma grade de absorção, é colocada em um comprimento Talbot fracionário para analisar o padrão de interferência.

A grade do analisador normalmente tem o mesmo período que as franjas de interferência e, portanto, transforma a posição da franja local em variação da intensidade do sinal no detector, que é colocado imediatamente atrás da grade. A fim de separar as informações de fase de outras contribuições para o sinal, uma técnica chamada "step-step" é usada. Uma das grades é varrida ao longo do termo de direção transversal $x g;$ durante um período da grade, e para diferentes posições da grade, uma imagem é tirada. O sinal de intensidade em cada pixel no plano do detector oscila em função de $x g$ . A oscilação de intensidade registrada pode ser representada por uma série de Fourier e, registrando e comparando essas oscilações de intensidade com ou sem a amostra, o deslocamento de fase diferencial separado e o sinal de absorção em relação à imagem de referência podem ser extraídos. Como no ABI, um sinal adicional proveniente do espalhamento de ângulo ultrabaixo por microestruturas sub-pixel da amostra, chamado de contraste de campo escuro, também pode ser reconstruído. Este método fornece alta resolução espacial, mas também requer longos tempos de exposição.

Uma abordagem alternativa é a recuperação da fase diferencial usando franjas de Moiré . Estas são criadas como uma superposição da autoimagem de G1 e do padrão de G2 usando grades com a mesma periodicidade e inclinando G2 contra G1 em relação ao eixo óptico com um ângulo muito pequeno (<< 1). Essas franjas de moiré atuam como franjas portadoras porque têm um espaçamento / período muito maior (menor frequência espacial) do que as franjas de Talbot e, portanto, o gradiente de fase introduzido pela amostra pode ser detectado como o deslocamento das franjas de Moiré. Com uma análise de Fourier do padrão Moiré, a absorção e o sinal de campo escuro também podem ser extraídos. Usando essa abordagem, a resolução espacial é menor do que aquela obtida pela técnica de passo de fase, mas o tempo total de exposição pode ser muito mais curto, porque uma imagem de fase diferencial pode ser recuperada com apenas um padrão de Moiré. A técnica de análise de Fourier de disparo único foi usada nas primeiras imagens de espalhamento baseadas em grade semelhante ao sensor de frente de onda shack-Hartmann em óptica, que permitiu os primeiros estudos em animais vivos.

Diagrama de escalonamento de fase eletrônico (EPS). O ponto de origem é movido eletronicamente, o que leva ao movimento da imagem da amostra no detector.

Uma técnica para eliminar o escaneamento mecânico da grade e ainda reter a resolução espacial máxima é o escalonamento de fase eletrônico. Ele faz a varredura do ponto de origem do tubo de raios-X com um campo eletromagnético. Isso faz com que a projeção do objeto se mova na direção oposta, e também causa um movimento relativo entre a projeção e as franjas de Moiré. As imagens são deslocadas digitalmente para realinhar as projeções. O resultado final é que a projeção do objeto é estacionária, enquanto as franjas de Moiré se movem sobre ele. Esta técnica sintetiza efetivamente o processo de escalonamento de fase, mas sem os custos e atrasos associados aos movimentos mecânicos.

Com ambos os métodos de extração de fase, a tomografia é aplicável girando a amostra em torno do eixo tomográfico, registrando uma série de imagens com diferentes ângulos de projeção e usando algoritmos de projeção traseira para reconstruir as distribuições tridimensionais da parte real e imaginária do refração índice. A reconstrução tomográfica quantitativa do sinal de campo escuro também foi demonstrada para a técnica de passo de fase e, muito recentemente, para a abordagem do padrão Moiré.

Também foi demonstrado que a imagem em campo escuro com o interferômetro de grade pode ser usada para extrair informações de orientação de detalhes estruturais no regime submicrométrico além da resolução espacial do sistema de detecção. Enquanto o espalhamento dos raios-X em uma direção perpendicular às linhas da grade fornece o contraste do campo escuro, o espalhamento em uma direção paralela às linhas da grade apenas leva ao embaçamento da imagem, que não é visível na baixa resolução do detector. Esta propriedade física intrínseca da configuração é utilizada para extrair informações orientacionais sobre a variação angular do poder de espalhamento local da amostra girando a amostra em torno do eixo óptico da configuração e coletando um conjunto de várias imagens de campo escuro, cada uma medir o componente do espalhamento perpendicular às linhas de grade para essa orientação particular. Isso pode ser usado para determinar o ângulo local e o grau de orientação do osso e pode fornecer informações valiosas para melhorar a pesquisa e o diagnóstico de doenças ósseas como osteoporose ou osteoartrite .

A configuração padrão, conforme mostrado na figura à direita, requer coerência espacial da fonte e, conseqüentemente, é limitada a fontes de radiação síncrotron de alto brilho. Esse problema pode ser resolvido adicionando-se uma terceira grade próxima à fonte de raios-X, conhecida como interferômetro Talbot-Lau . Esta grade de fonte, que normalmente é uma grade de absorção com fendas de transmissão, cria uma "matriz de fontes individualmente coerentes, mas mutuamente incoerentes". Como a grade da fonte pode conter um grande número de aberturas individuais, cada uma criando uma fonte de linha virtual suficientemente coerente, geradores de raios-X padrão com tamanhos de fonte de alguns milímetros quadrados podem ser usados de forma eficiente e o campo de visão pode ser significativamente aumentado.

Uma vez que a posição das franjas de interferência formadas atrás da grade divisora de feixe é independente do comprimento de onda ao longo de uma ampla faixa de energia da radiação incidente, o interferômetro na configuração de passo de fase ainda pode ser usado eficientemente com radiação policromática. Para a configuração do padrão Moiré, a restrição da energia de radiação é um pouco mais rígida, porque uma largura de banda finita de energia em vez de radiação monocromática causa uma diminuição na visibilidade das franjas de Moiré e, portanto, na qualidade da imagem, mas uma policromática moderada ainda é permitida. Uma grande vantagem do uso da radiação policromática é o encurtamento dos tempos de exposição e isso foi recentemente explorado com o uso de radiação síncrotron branca para realizar a primeira tomografia de contraste de fase dinâmica (resolvida no tempo).

Uma barreira técnica a ser superada é a fabricação de grades com alta proporção de aspecto e pequenos períodos. A produção dessas grades de uma pastilha de silício envolve técnicas de microfabricação como fotolitografia , corrosão úmida anisotrópica , galvanoplastia e moldagem . Um processo de fabricação muito comum para grades de raios-X é o LIGA , que se baseia em litografia de raios-X profunda e galvanoplastia. Foi desenvolvido na década de 1980 para a fabricação de microestruturas de relação de aspecto extremamente alta por cientistas do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) . Outro requisito técnico é a estabilidade e o alinhamento e movimento precisos das grades (normalmente na faixa de alguns nm), mas em comparação com outros métodos, por exemplo, o interferômetro de cristal, a restrição é fácil de cumprir.

Um interferômetro de campo distante de raios-X usando apenas grades de fase é baseado no efeito moiré de fase. A grade intermediária forma imagens de Fourier da primeira grade. Essas imagens batem com a terceira grade para produzir amplas franjas moiré no detector na distância apropriada. Os deslocamentos de fase e a falta de coerência da frente de onda pelo objeto causam deslocamentos de franja e atenuação do contraste de franja.

O desafio de fabricação da grade foi facilitado pela descoberta de um efeito de moiré de fase que fornece um interferômetro de grade de todas as fases que funciona com fontes compactas, chamado de interferômetro de campo distante policromático (veja a figura à direita). As grades de fase são mais fáceis de fazer quando comparadas com as grades da fonte e do analisador mencionadas acima, uma vez que a profundidade da grade necessária para causar a mudança de fase é muito menor do que o necessário para absorver os raios-x. Redes de fase de períodos de 200-400 nanômetros têm sido usadas para melhorar a sensibilidade de fase em imageadores PFI de mesa. No PFI, uma grade de fase é usada para converter as franjas de interferência finas em um padrão de ampla intensidade em um plano distal, com base no efeito moiré de fase . Além da maior sensibilidade, outro incentivo para períodos de grade menores é que a coerência lateral da fonte precisa ser de pelo menos um período de grade.

Uma desvantagem da configuração GBI padrão é a sensibilidade a apenas um componente do gradiente de fase, que é a direção paralela às grades 1-D. Este problema foi resolvido registrando imagens de contraste de fase diferencial da amostra em ambas as direções xey girando a amostra (ou as grades) em 90 ° ou pelo emprego de grades bidimensionais.

Por ser uma técnica de fase diferencial, o GBI não é tão sensível quanto a interferometria de cristal a baixas frequências espaciais, mas pela alta resistência do método contra instabilidades mecânicas, a possibilidade de usar detectores com grandes pixels e um grande campo de visão e, de crucial importância, a aplicabilidade a tubos convencionais de raios-X de laboratório, a imagem baseada em grade é uma técnica muito promissora para diagnósticos médicos e imagens de tecidos moles. As primeiras aplicações médicas, como o estudo pré-clínico da mamografia , mostram um grande potencial para o futuro desta técnica. Além disso, o GBI tem aplicações em um amplo campo da ciência de materiais, por exemplo, pode ser usado para melhorar a triagem de segurança.

Iluminação de borda

A iluminação de borda (EI) foi desenvolvida no síncrotron italiano (Elettra) no final dos anos 90, como uma alternativa ao ABI. É baseado na observação de que, iluminando apenas a borda dos pixels do detector, é obtida alta sensibilidade aos efeitos de fase (ver figura).

Desenho de iluminação de borda - as posições de amostra que resultam em contagens detectadas aumentadas (acima) e diminuídas (abaixo) são mostradas.

Também neste caso, é explorada a relação entre o ângulo de refração de raios-X e a primeira derivada do deslocamento de fase causado pelo objeto:

${\ displaystyle \ Delta \ alpha = {\ frac {1} {k}} {\ frac {\ partial \ phi (x)} {\ partial x}}}$

Se o feixe de raios-X for verticalmente fino e colidir com a borda do detector, a refração de raios-X pode alterar o status do raio-X individual de "detectado" para "não detectado" e vice-versa, desempenhando efetivamente o mesmo papel que a curva de balanço do cristal em ABI. Essa analogia com o ABI, já observada quando o método foi desenvolvido inicialmente, foi demonstrada formalmente mais recentemente. Efetivamente, o mesmo efeito é obtido - uma seleção angular fina na direção do fóton; no entanto, enquanto no ABI o feixe precisa ser altamente colimado e monocromático, a ausência do cristal significa que o EI pode ser implementado com feixes divergentes e policromáticos, como aqueles gerados por um tubo de raios-X de ânodo rotativo convencional. Isso é feito introduzindo duas máscaras oportunamente projetadas (às vezes chamadas de máscaras de “abertura codificada”), uma imediatamente antes da amostra e outra em contato com o detector (veja a figura).

Desenho de iluminação de borda laboratorial, obtido através de máscaras de raio-x de abertura (“codificada”).

O objetivo da última máscara é simplesmente criar regiões insensíveis entre pixels adjacentes e seu uso pode ser evitado se uma tecnologia de detector especializada for empregada. Desta forma, a configuração EI é realizada simultaneamente para todas as fileiras de pixels de um detector de área. Esta pluralidade de beamlets individuais significa que, em contraste com a implementação do síncrotron discutida acima, nenhuma varredura de amostra é necessária - a amostra é colocada a jusante da máscara de amostra e gerada em um único tiro (dois se a recuperação de fase for realizada). Embora a configuração talvez se pareça superficialmente com a de um interferômetro de grade, o mecanismo físico subjacente é diferente. Em contraste com outras técnicas de PCI, o EI é uma técnica incoerente e, de fato, foi comprovado que funciona com fontes incoerentes tanto no espaço quanto no tempo, sem qualquer abertura de fonte adicional ou colimação. Por exemplo, pontos focais de 100μm são usados rotineiramente, os quais são compatíveis com, por exemplo, sistemas de mamografia diagnóstica. A recuperação quantitativa da fase também foi demonstrada com fontes incoerentes (não colimadas), mostrando que em alguns casos resultados análogos ao padrão ouro síncrotron podem ser obtidos. A configuração EI relativamente simples resulta em sensibilidade de fase pelo menos comparável com outras técnicas de PCI, resulta em uma série de vantagens, que incluem tempo de exposição reduzido para a mesma fonte de energia, dose de radiação reduzida, robustez contra vibrações ambientais e acesso mais fácil a alta energia de raios-X. Além disso, como sua proporção de aspecto não é particularmente exigente, as máscaras são baratas, fáceis de fabricar (por exemplo, não requerem litografia de raios-X) e já podem ser dimensionadas para grandes áreas. O método é facilmente estendido para a sensibilidade de fase em duas direções, por exemplo, através da realização de aberturas em forma de L para a iluminação simultânea de duas bordas ortogonais em cada pixel detector. De forma mais geral, embora em sua implementação mais simples os beamlets correspondam a linhas de pixels individuais (ou pixels), o método é altamente flexível e, por exemplo, detectores esparsos e máscaras assimétricas podem ser usados e sistemas compactos e de microscopia podem ser construídos. Até agora, o método foi demonstrado com sucesso em áreas como varredura de segurança, imagens biológicas, ciência de materiais, paleontologia e outras; adaptação ao 3D (tomografia computadorizada) também foi demonstrada. Ao lado da tradução simples para uso com fontes convencionais de raios-X, há benefícios substanciais na implementação de EI com radiação síncrotron coerente, entre os quais estão o alto desempenho com energias de raios-X muito altas e altas resoluções angulares.

Imagem de raios-x com contraste de fase na medicina

Quatro benefícios potenciais do contraste de fase foram identificados em um contexto de imagens médicas:

O contraste de fase promete aumentar a relação sinal-ruído porque a mudança de fase no tecido mole é, em muitos casos, substancialmente maior do que a absorção.
O contraste de fase tem uma dependência de energia diferente do contraste de absorção, o que altera a troca de contraste de dose convencional e energias mais altas de fótons podem ser ideais com uma dose mais baixa resultante (por causa da absorção de tecido mais baixa) e saída mais alta do tubo de raios-x ( devido à opção de usar uma tensão de aceleração mais alta)
O contraste de fase é um mecanismo de contraste diferente que realça outras propriedades do alvo além do contraste de absorção, o que pode ser benéfico em alguns casos
O sinal de campo escuro fornecido por algumas realizações de contraste de fase oferece informações adicionais sobre as propriedades de espalhamento de pequeno ângulo do alvo.

O benefício da mamografia de contraste de fase em relação ao contraste de absorção para (1) uma estrutura tumoral ("tumor"), (2) uma estrutura glandular ("glandular"), (3) uma microcalcificação ("MC") e (4) uma cavidade de ar ("ar") em função do tamanho do alvo na energia ideal e dose igual.

Uma comparação quantitativa de mamografia de contraste de fase e absorção que levou em consideração restrições realistas (dose, geometria e economia de fótons) concluiu que a imagem de contraste de fase baseada em grade (interferometria Talbot) não exibe uma diferença de sinal geral para melhoria de ruído em relação ao contraste de absorção, mas o desempenho é altamente dependente da tarefa. Os principais efeitos foram:

A energia de imagem ideal para contraste de fase é maior do que para contraste de absorção e independente do alvo.
A imagem baseada em grade (e outras realizações de contraste de fase) detecta intrinsecamente o diferencial de fase, o que faz com que o espectro de potência de ruído diminua rapidamente com a frequência espacial, de modo que o contraste de fase é benéfico para alvos pequenos e nítidos, por exemplo, espículas de tumor em vez de sólidos tumores e para tarefas de discriminação em vez de tarefas de detecção.
O contraste de fase favorece a detecção de materiais que diferem em densidade em comparação com o tecido de fundo, em vez de materiais com diferenças no número atômico. Por exemplo, a melhoria para detecção / discriminação de estruturas calcificadas é menor do que a melhoria para tecidos moles.
A interferometria Talbot é relativamente insensível à largura de banda do espectro. Além disso, se a imagem de contraste de fase for combinada com um detector de contagem de fótons sensível à energia, o espectro detectado pode ser ponderado para um desempenho de detecção ideal.
A interferometria Talbot é sensível ao tamanho da fonte, que deve ser mantida pequena. A energia ideal mais alta na imagem de contraste de fase compensa parte da perda de fluxo ao ir para um tamanho de fonte menor (porque uma tensão de aceleração mais alta pode ser usada para o tubo de raios X), mas a economia de fótons continua sendo um problema.

Algumas das compensações são ilustradas na figura à direita, que mostra o benefício do contraste de fase sobre o contraste de absorção para a detecção de diferentes alvos de relevância na mamografia em função do tamanho do alvo. Observe que esses resultados não incluem benefícios potenciais do sinal de campo escuro.

Referências

links externos

Mídia relacionada à imagem de raios-X de contraste de fase no Wikimedia Commons

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