L'une des images 3D générées par ordinateur par l'équipe de l'objet expérimental en utilisant l'approche d'imagerie fantôme. Crédit :Andrew Kingston et ses collègues
Les chercheurs rapportent deux nouvelles approches pour produire des images tridimensionnelles (3D) à l'aide de rayons X qui pourraient améliorer le dépistage des maladies, étudier des processus très rapides et permettre l'analyse des propriétés des matériaux et des informations structurelles d'objets opaques avec des détails sans précédent.
Les chercheurs décrivent leurs approches de l'imagerie 3D avec des rayons X dans deux articles en Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact. Une méthode pourrait réduire les doses de rayons X nécessaires dans certains types d'imagerie médicale préventive, comme le dépistage du cancer du sein. L'autre méthode pourrait permettre l'imagerie 3D d'échantillons biologiques délicats ou l'étude de processus très rapides, tels que les types d'interactions qui se produisent lors des impacts de débris spatiaux, pour accélérer le développement de matériaux plus durables.
En raison de leur haute énergie et de leur courte longueur d'onde, Les rayons X peuvent traverser des matériaux que la lumière visible ne peut pas traverser. Bien qu'il soit possible d'obtenir des images radiographiques en 3D, les approches actuelles sont limitées dans leur application car elles nécessitent des expositions prolongées à des rayons X nocifs.
Chez l'homme, trop de rayonnement de l'imagerie médicale aux rayons X peut augmenter le risque de cancer, ce qui limite la fréquence à laquelle ils peuvent être dépistés avec la mammographie 3D et d'autres technologies de radiographie 3D. Les rayons X à très haute énergie utilisés pour étudier la composition détaillée des matériaux et des échantillons biologiques ne peuvent souvent pas être utilisés car les échantillons seraient détruits après une seule exposition.
Tomographie fantôme 3D avec rayons X
Des chercheurs dirigés par Andrew Kingston de l'Australian National University et une équipe de l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en France ont démontré pour la première fois que l'approche d'imagerie non conventionnelle connue sous le nom d'imagerie fantôme peut être utilisée pour obtenir des images 3D X- images en rayons de l'intérieur d'objets opaques à la lumière visible.
« En raison du potentiel de doses de rayons X considérablement plus faibles avec l'imagerie fantôme 3D, cette approche pourrait révolutionner l'imagerie médicale en rendant le dépistage par rayons X des premiers signes de maladie beaucoup moins cher, plus facilement disponibles et pouvant être entrepris beaucoup plus souvent, " a déclaré l'auteur principal de l'article, David Paganin, de l'Université Monash, Australie. "Cela améliorerait considérablement la détection précoce des maladies, y compris les cancers."
L'imagerie fantôme fonctionne en corrélant deux faisceaux - dans ce cas, Faisceaux de rayons X—qui ne transportent individuellement aucune information significative sur l'objet. Un faisceau code un motif aléatoire qui sert de référence et ne sonde jamais directement l'échantillon. L'autre faisceau traverse l'échantillon.
Dr Andrew Kingston dans le laboratoire. Crédit :ANU
Les chercheurs ont créé des motifs de rayons X aléatoires en projetant un faisceau lumineux de rayons X à travers une mousse métallique, qui est comme une éponge en métal. Ils ont pris une image 2-D de ce faisceau aléatoire, puis en a passé une copie très faible à travers l'échantillon. Un détecteur à pixel unique à grande surface a capturé les rayons X qui ont traversé l'échantillon. Le processus a été répété pour plusieurs motifs d'éclairage et orientations d'échantillon-objet pour construire une image tomographique 3-D de la structure interne de l'objet.
Comme expérience de preuve de concept, les chercheurs ont réalisé une tomographie par rayons X fantômes sur un cylindre en aluminium d'un diamètre de 5,6 millimètres et contenant deux trous de moins de 2,0 millimètres de diamètre. Ils ont pu produire des images 3D avec 1,4 million de "voxels" - un terme pour les pixels 3-D - avec une résolution, ou la longueur de côté voxel, de 48 millionièmes de mètre.
"Imagerie fantôme aux rayons X, en particulier la tomographie fantôme, est un domaine complètement nouveau qui doit être exploré et développé beaucoup plus loin, " a déclaré Kingston. " Avec plus de développement, nous envisageons la tomographie aux rayons X fantômes comme une voie à moindre coût et, donc, des machines d'imagerie à rayons X 3D beaucoup plus facilement disponibles pour l'imagerie médicale, imagerie industrielle, contrôle de sécurité et surveillance."
Images 3D à partir d'une seule exposition
Une équipe de recherche de l'Institut Paul Scherrer en Suisse, dirigé par Marco Stampanoni, avec une équipe du Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Allemagne et de l'ESRF, images 3D acquises à l'aide de sources de rayons X à haute brillance. Leur nouvelle approche utilise une seule exposition, ou abattu, pour obtenir des informations 3D à partir de rayons X cent milliards de fois plus lumineux qu'une source de rayons X d'hôpital. Les rayons ne peuvent être produits que dans des installations synchrotron spécialisées.
La configuration de l'expérience d'imagerie fantôme par rayons X 3D de l'équipe. Crédit :Andrew Kingston et ses collègues
"Les sources de rayons X à haute brillance sont très utiles pour la biologie et la science des matériaux car elles peuvent sonder des processus plus rapides et des résolutions plus élevées que les autres sources de rayons X, " a déclaré le premier auteur de l'article, Pablo Villanueva-Perez de DESY. "Parce que la puissance de ces sources peut détruire l'échantillon après une seule impulsion, l'imagerie 3D actuelle utilisant la pleine puissance de ces sources nécessite plusieurs copies identiques d'un échantillon. »
La nouvelle technique permet d'effectuer les mesures nécessaires pour former une image 3D avant de détruire l'échantillon, il pourrait donc être utile pour étudier la mécanique d'échantillons biologiques délicats tels que des insectes vivants ou pour examiner la structure interne en 3D de virus ou de protéines intacts.
La nouvelle approche monocoup utilise un cristal pour diviser un faisceau de rayons X entrant en neuf faisceaux qui illuminent simultanément l'échantillon. L'utilisation de détecteurs orientés pour enregistrer les informations de chaque faisceau permet aux chercheurs d'acquérir à la fois neuf projections 2D différentes d'un objet échantillon avant qu'il ne soit détruit par les faisceaux intenses de la sonde à rayons X.
Les chercheurs ont utilisé l'approche pour imager un papillon de nuit, qui a démontré le potentiel d'étudier la mécanique des insectes avec une résolution à micro-échelle 3-D à des vitesses allant de la microseconde à la femtoseconde. Ils ont également montré qu'ils pouvaient atteindre une résolution à l'échelle nanométrique en imageant une nanostructure en or.
"Nous aimerions combiner notre technique avec les capacités uniques de l'installation européenne de laser à électrons libres à rayons X, la première installation à délivrer des impulsions de rayons X à raison d'un million d'impulsions par seconde, " a déclaré Villanueva-Perez. " Cela pourrait permettre l'exploration en 3D de processus rapides à des vitesses de millions d'images par seconde. "
Les chercheurs prévoient d'utiliser leur technique d'imagerie multiprojection monocoup pour mieux comprendre la biomécanique des insectes, qui pourrait inspirer de nouvelles configurations d'ingénierie. Ils veulent aussi étudier de nouveaux, des matériaux plus légers qui pourraient réduire la consommation de carburant des véhicules et envisagent d'examiner les processus rapides qui se produisent lorsque des débris spatiaux frappent les satellites, qui pourraient aider au développement de matériaux de protection.
