Метод рентгеновской визуализации с отслеживанием луча in vitro, обеспечивающий двухмерную фазовую чувствительность и изотропное разрешение с однонаправленным отбором проб.

2D-трассировка лучей и однонаправленная частота

На рис. 1 показана схема установки 2D-трассировки луча, используемой для получения планарных изображений и сканирования микро-КТ; Описание настройки можно найти в разделе «Методы». Использовалась маска, состоящая из двумерного массива круглых отверстий. Диаметр отверстий доктор = 19 мкм и разные периоды с_час И с_Пятый по горизонтали и вертикали соответственно; Интервалы определялись расстоянием между последовательными пучками в соответствующих направлениях. с_Пятый= 39 мкм f с_час= 156 мкм. Полная информация о дизайне маски приведена в следующем параграфе.

Дизайн маски

Пока между лучами достигнуто достаточное разделение, диаметр апертуры докторЭто основной драйвер точности системы, независимо от общей нечеткости системы. Б_час, Из-за источника и детектора. Размытие по Гауссу, Б_час,можно получить, привязав исходный дистрибутив Юго-запад_{час ИПятый} Проецируется на детектор с использованием функции точки рассеяния детектора ПСФ_час,затем возвращаем полученную функцию на уровень маски,

где МЭто был коэффициент масштабирования²⁶. Эффективное разделение малых пучков в детекторе достигается, когда размеры поперечного сечения пучков, увеличенных к плоскости детектора и расширенных за счет действия протяженных ФРТ источника и детектора, меньше соответствующих периодов усиления. с_час И с_Пятыйлюбой:

Как видно из уравнений (1) и (2), конструкция маски во многом определяется конкретной используемой экспериментальной установкой. В нашем случае фокальная точка источника рентгеновского излучения проходит по горизонтальной и вертикальной осям, Юго-запад_час,, по оценкам, составляет около 10 мкм по всей ширине на половине высоты (FWHM). Детектор PSF был предварительно отмасштабирован по Гауссу с полушириной 120 мкм в обоих направлениях.²⁷. коэффициент масштабирования маски, М, было 5.11. Таким образом, системное размытие (уравнение (1)) составляет 29 мкм в обоих направлениях. Диаметр отверстия доктор = 19 мкм. Согласно уравнению (2), полуширина для малых лучей в обоих направлениях, сдутая до уровня маски, составляет 31 мкм. Если предположить, что маленькие лучи перекрывают друг друга на <10% от их пикового значения в вертикальном направлении, чтобы обеспечить их достаточное разделение, это приводит к тому, что расстояние между двумя соседними щелями в вертикальном направлении составляет не менее 56 мкм. Поскольку малые лучи равномерно распределяются в горизонтальном и вертикальном направлениях, как упоминалось выше, тот же критерий разделения применяется к горизонтальному промежутку между щелями. В нашей конструкции мы применили критерий «минимальное расстояние 56 мкм» к конструкции со смещением (смещение половины горизонтального промежутка для каждого ряда слотов), где вертикальное расстояние между слотами меньше, чем горизонтальное, и добавили запас прочности к (а ) устранить риск в первом испытательном исследовании. Они и (b) иметь возможность использовать маску также с другими комбинациями источника/детектора. Мы приняли «запас прочности» около 40%, разделяя соседние пучки на 78 мкм. Достижение изотропного разрешения с однонаправленной стабильностью также требует, чтобы горизонтальный период был целым числом, кратным вертикальному: все эти условия в совокупности привели к выбору 39 мкм для с_Пятый и 4 х с_Пятый= 156 мкм л с_час. Пригодность этой конструкции маски для удовлетворения требований первоначально предложенной методологии была исследована с помощью моделирования; Описание моделирования и его результатов представлено в дополнительных материалах.

Следует также отметить, что по причинам, описанным выше, конструкция маски в этом экспериментальном исследовании не соответствует полному охвату образца в вертикальном направлении, так как между последовательными рядами апертур уже есть промежутки, поскольку с_Пятый> доктор . Более мелкие образцы можно брать в вертикальном направлении за счет большего расстояния между апертурами в горизонтальном направлении, и это также более подробно обсуждалось в дополнительных материалах.

плоские изображения

Плоские изображения были получены в соответствии с процедурой, описанной в разделе «Методы». Плоские изображения, полученные со сфер и образцов поперечной проволоки, показаны на рис. 2 и 3 соответственно. Оба изображения показывают затухание и преломление вдоль Икс И у ось и интегрированный столик. На восстановленных фазовых изображениях наблюдается градиент (фон не был одинаковым на всех изображениях на рис. 2b и 3b), что связано с небольшими ошибками в восстановленных рефракционных сигналах; Это обсуждается в конце раздела.

затухание (а), интегральный этап (Б), преломление вдоль Икс концентратор (с), и преломление вдоль у концентратор (доктор), для образцов шаров.

затухание (а), интегральный этап (Б), преломление вдольИксконцентратор (с), и преломление вдольуконцентратор (доктор) для образца поперечной проволоки.

Для исследования изотропных свойств сигналов вдоль горизонтали ( Икс ) и вертикальный ( у ), профили были построены по центру поля ПММА для сигналов затухания и фазы в обоих направлениях и проиллюстрированы на рис. был реализован.

особенности затухания (а) и интегральная фаза (Б), через центр сферы ПММА (показана на рис. 2) вдоль Икс (черная сплошная линия) f у(красная пунктирная линия) тренд.

срок поглощения β и уменьшить показатель преломления дельта , определенный в уравнении (7) из четырех материалов, восстановленных, как описано в разделе «Методы», показаны на рис. 5. Эффективная энергия для измерения фазы оценивается примерно в 19 кэВ для шарика из ПММА, шарика из полипропилена и проволоки из ПТФЭ и 18,5 кэВ. кэВ для провода PS, как описано Монро и Оливо²⁸, как средняя спектральная мощность. Это же значение использовалось для расчета того, что было восстановлено. β Полученные значения, которые согласуются с номинальными значениями в пределах неопределенностей. в исх.²⁸Монро и Оливо обсуждают, как эффективная энергия адсорбции может отличаться от энергии фазы, и как они зависят от толщины образца. Фактически, эффективная энергия сферы из ПММА, шара из полипропилена и проволоки из ПТФЭ была немного выше по сравнению с номинальной энергией проволоки из полистирола; Это согласуется с повышенным поглощением и, следовательно, жесткостью луча, вызванными первым. Здесь следует отметить, что хотя разницы в эффективной энергии между фазой и поглощением здесь не наблюдается, считается, что она меньше, чем неопределенность, связанная с восстановленным. βИ дельтаЗначения (разброс стандартного отклонения значений затухания и фазы, извлеченных из изображений).

срок поглощения, β(а) и уменьшить показатель преломления, дельта (Б), извлеченные из эксперимента с номинальными значениями.

компьютерная томография

На рис. 6 показаны реконструированные аксиальный, сагиттальный и корональный срезы фантома зерна как для затухания, так и для фазового канала; Сбор и анализ данных описаны в разделе «Методы».

реконструированный осевой (аИЧАС), сагиттальный (БИФ) и венечный (сИг(Гранулировать самолеты-призраки для смягчения)а—с) и фазы (ЧАС—г), и соответствующие функции распространения линии (я) извлекаются из краев доменов, обозначенных пунктирными линиями соответствующих цветов вдоль Икс И у И г оси в панелях (ЧАСИФ). Профили по красным пунктирным линиям в осевых плоскостях панелей (аИЧАС) смягчить (доктор) и фазы (час).

Первое наблюдение рис. 6 — больший контраст и относительно меньший уровень шума в фазовых изображениях (рис. 6d–f) по сравнению с изображениями затухания (рис. 6a–c), отношение контраста к шуму (CNR) для затухание и фаза (по профилям, показанным на рис. 6) равны 3 и 21 соответственно. Это связано с уменьшением показателя преломления дельтаФС выше, чем период поглощения β при ~19 кэВ. Второе наблюдение заключается в том, что пространственное разрешение оказывается анизотропным. Действительно, пространственное разрешение (среднее ± стандартное отклонение, рассчитанное в соответствии с разделом «Методы») 48 ± 4 мкм, 46 ± 5 мкм и 48 ± 7 мкм оценивалось по размеру фазы вдоль Икс ИгИусоответственно, что демонстрирует способность предложенной маски достигать изотропного пространственного разрешения, несмотря на однонаправленную частоту. Функции распространения линии, извлеченные из краев сферы по трем осям, показаны на рис. 6(i). Размер вокселя с учетом увеличения на уровне образца составил 47 мкм x 47 мкм x 47 мкм.

Также была проверена совместимость предложенной методики для достижения изотропного пространственного разрешения с однонаправленной частотой на сложном биологическом образце – сердце крысы; Сбор и анализ данных описаны в разделе «Методы». Реконструированные аксиальные, сагиттальные и коронарные срезы сердца крысы как для каналов затухания, так и для фазовых каналов показаны на рис. 7. Как видно визуально, пространственное разрешение оказывается изотропным.

реконструированный осевой (аИдоктор), сагиттальный (БИЧАС) и венечный (сИФ(Крысиное сердце планирует смягчить)а—с) и фазы (доктор—Ф) каналы.

Градиент по реконструированным фазовым срезам можно увидеть на рис. 7, а фазовый сигнал внутри камер сердца был выше по сравнению с фоном вне органа. Это связано с небольшими ошибками в восстановленных рефракционных сигналах. Нестабильность системы, возникающая из-за изменяющихся во времени компонентов системы из-за вибраций и/или колебаний температуры, например, может привести к горизонтальному и вертикальному сдвигу маски, что может привести к ошибкам в оценке небольшого изменения положения луча, вызванного преломлением в образце. Было показано, что алгоритмы восстановления, основанные на нелинейной подгонке кривой, решенной методом наименьших квадратов, также учитывающие нестабильность системы, удаляют градиентные дефекты в восстановленных фазовых срезах в рентгеновском фазовом контрасте КТ с краевым освещением.²⁹. Подобные алгоритмы поиска будут рассмотрены в будущих работах по двухмерной трассировке лучей, рентгеновской фазово-контрастной визуализации и компьютерной томографии.