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Scientific Reports volume 13、記事番号: 8707 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ビームトラッキング X 線位相コントラスト イメージングは​​、プレサンプル マスクを使用して X 線を「ビームレット」に分割し、十分な解像度を持つ検出器によって検査される「シャック ハルトマン」タイプのアプローチです。 最終的な空間分解能はマスクの開口部のサイズによって決まりますが、この解像度レベルを達成するには、開口部のサイズと同じ増分でサンプルまたはマスクを「ステップ」する必要があります (「ディザリング」)。 長い平行スリットの代わりに円形開口のアレイ（二次元位相感度も提供）を使用する場合、このステッピングを二方向に実行する必要があり、スキャン時間が大幅に長くなります。 円形開口の列をオフセットすることによって得られるマスク設計を提案します。これにより、サンプルまたはマスクを一方向にのみステッピングする必要がありながら、二次元感度と等方性解像度が可能になります。 特注のファントムと生物学的標本の画像を提示し、定量的位相回復と開口制限に近い空間分解能が 2 つの直交方向で得られることを実証します。

従来の X 線画像のコントラストは、物質を通過する X 線の減衰に依存します。 従来の X 線コンピュータ断層撮影 (CT) は、減衰信号 1 に基づいて材料の内部構造に関する情報を 3 次元で提供します。 平面 X 線 (放射線撮影) と CT はどちらも、医学や材料科学などのさまざまな用途で日常的に使用されています。 ただし、サンプルが弱く減衰している場合 (生物組織など)、および/または同様の減衰を持つ複数の材料で構成されている場合、コントラストが低下します。

減衰ベースの X 線イメージングの限界を克服することは、過去数十年間にわたって広範な研究の対象となってきました。 1 つのアプローチは、X 線が物質を通過する際に経験する位相シフトを画像形成に利用することです。これにより屈折効果が生じます (屈折角は位相シフトの一次導関数に比例します 2,3)。 X 線位相コントラスト イメージング (XPCI) と断層撮影 (XPC-CT) は、減衰ベースの方法に比べて多くの利点がある強力な技術です。 特に、大幅に高いコントラストが可能になります4。 これにより、同じ検出された X 線統計のコントラスト対ノイズ (CNR) 比が向上し、最終的には従来の X 線イメージングでは見えなかった細部を検出できるようになり、異なる材質をより簡単に区別できるようになります。 さらに、位相ベースのコントラストは、高い X 線エネルギーでも維持できるため、サンプルに蓄積される線量の量が減少します 3,5。これは、生物医学イメージングに特に有用な利点です。

画像形成において X 線位相を利用するイメージング技術には、伝播ベースのイメージング法 6、アナライザーベースのイメージング法 7、スペックルベースのイメージング法 8、結晶ベースの干渉法 9、格子ベースの干渉法 10、および格子ベースの非干​​渉法 11 が含まれます。 。 これらの方法では、異なる実験設定を使用して位相感度を生成し、その結果、X 線ビームの空間的および時間的コヒーレンスに関する要件が求められます。 さまざまな XPCI 手法を定量的に比較するいくつかの試みが過去に行われてきました 12、13、14。

この論文の主題は、格子ベースの非干​​渉イメージング法です。 このカテゴリの方法では、変調器、通常はサンプルの上流に交互に吸収セプタムと透過セプタムを備えたマスクを使用し、相互の重なりが無視できる程度に X 線ビームをビームレットのアレイに構造化します。 サンプルの減衰と屈折は、それぞれビームレットの強度の低下と横方向のシフトにつながります。 後者に対する感度は、検出器での 2 番目のマスク (エッジ照明 11)、またはビームレットを個別に分解するのに十分に小さいピクセル サイズを持つ検出器 (ビーム トラッキング 15) のいずれかを使用することによって達成されます。 小さなピクセルサイズの検出器の要件により視野が制限されますが、ビームトラッキングには、減衰信号と屈折信号が単一のフレームから取得されるという大きな利点があります。 ここで、エッジ照明とビーム追跡の両方の検出メカニズムにより、暗視野 (小角散乱) 信号の取得も可能になることに注意してください。 ただし、これは、新しいマスク設計によって可能になる一方向走査に焦点を当てているこの研究の範囲を超えていると考えられました。 私たちは最初にシンクロトロン放射光を使用してビーム追跡 XPCI をテストし 16、次にそれを実験室のセットアップに変換しました 15。 どちらの場合も、長く平行なスリットを備えたマスクを使用して、一次元の位相感度が達成されました。 この技術は、円形開口を持つマスク 19,20 を使用し、これらの進歩とシンクロトロン放射 21 およびコンパクトな実験室セットアップ 22 の両方を組み合わせることで、CT 17,18、2 次元位相感度用にさらに開発されました。 十分な解像度を備えた検出器によるビームレットのアレイの直接解像度は、シャック・ハルトマン波面センサー（ただしレンズを使用する）と類似点を共有しており、実際、他のグループもさらに早い時期に同様の概念を開発したことに留意すべきである23、24。