Imagistica cu raze X modelate cartografiază structuri chimice 3D mai rapid și cu mai puține măsurători
Cercetătorii de la Universitatea Bar-Ilan și instituții colaboratoare au dezvoltat o nouă tehnică de imagistică cu raze X care poate cartografia compoziția chimică tridimensională a unui obiect de 43 de ori mai rapid decât metodele convenționale, folosind cu peste 97% mai puține date de măsurare. Metoda, publicată în revista Optica, ar putea facilita examinarea materialelor, a probelor biologice și a altor structuri complexe greu de studiat prin tehnicile existente.
Imagistica tradițională prin fluorescență de raze X poate determina ce elemente chimice sunt prezente într-o probă și unde sunt localizate. Însă crearea unei hărți tridimensionale necesită de obicei scanarea obiectului punct cu punct, un proces care poate dura considerabil și generează cantități enorme de date.
Cercetătorii au adoptat o abordare diferită. În loc să măsoare fiecare punct individual, au plasat o mască de tungsten cu model aleatoriu în fața fasciculului de raze X, creând un model structurat care codifică informații din multiple părți ale probei simultan. Au rotit o probă conținând cupru, zirconiu și argint, măsurând razele X fluorescente emise de diferitele elemente. Un algoritm matematic a reconstruit apoi structurile elementare tridimensionale direct din datele comprimate.
Rezultatul: cercetătorii au reușit să elimine peste 97% din măsurătorile necesare în mod normal, reconstruind totuși cu acuratețe locațiile firelor metalice microscopice și ale particulelor. „Partea surprinzătoare a fost cât de multe informații am putut recupera din atât de puține date”, spune Adi Ben-Yehuda, student la doctorat în laboratorul profesoarei Sharon Shwartz din cadrul Departamentului de Fizică al Universității Bar-Ilan. „În loc să măsurăm fiecare punct separat, folosim un model structurat de raze X și lăsăm algoritmul de reconstrucție să pună cap la cap informațiile. Este un mod diferit de a gândi modul în care poate fi creată o imagine cu raze X.”
Tehnica se bazează pe lucrările anterioare ale echipei privind „imagistica fantomă” bidimensională prin fluorescență de raze X, extinzând conceptul într-un sistem complet de imagistică 3D.
Avansul ar putea fi deosebit de valoros la facilitățile de sincrotron, unde oamenii de știință folosesc fascicule de raze X extrem de puternice pentru a studia materiale la scară microscopică. Accesul la aceste facilități este limitat, ceea ce face ca timpul de măsurare să fie deosebit de prețios. Imagistica mai rapidă ar putea permite cercetătorilor să scaneze probe mai mari, să urmărească procese chimice în timp real și să studieze materiale delicate reducând expunerea acestora la raze X. Aplicațiile potențiale acoperă domenii de la știința materialelor și energia verde până la biologie și geologie.
„Imagistica cu raze X a fost în mod tradițional un compromis între cantitatea de informații pe care o dorim și timpul și datele necesare pentru a le obține”, spune Shwartz de la Universitatea Bar-Ilan. „Abordarea noastră arată că acest compromis poate fi schimbat. Proiectând iluminarea cu raze X împreună cu reconstrucția computațională, putem recupera informații chimice tridimensionale detaliate dintr-un număr remarcabil de mic de măsurători.”
În viitor, cercetătorii intenționează să aplice tehnica unor probe biologice și geologice mai complexe și să integreze inteligența artificială și învățarea profundă pentru a îmbunătăți și mai mult viteza și rezoluția imagisticii. Studiul a fost realizat împreună cu dr. Alexander Rack de la Facilitatea Europeană de Radiație Sincrotron (ESRF) și dr. Nicola Viganò de la CEA și Université Grenoble Alpes.
