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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8707(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

빔 추적 X선 위상차 이미징은 사전 샘플 마스크를 사용하여 X선을 충분한 해상도를 가진 검출기에 의해 조사되는 "빔렛"으로 분할하는 "Shack-Hartmann" 유형 접근 방식입니다. 궁극적인 공간 해상도는 마스크 조리개의 크기에 따라 결정되지만, 이 해상도 수준을 달성하려면 조리개 크기와 동일한 증분으로 샘플이나 마스크를 "스테핑"해야 합니다("디더링"). 긴 평행 슬릿 대신 원형 조리개 배열(2차원 위상 감도 제공)을 사용하는 경우 이 스테핑은 두 방향으로 수행되어야 하므로 스캔 시간이 크게 늘어납니다. 우리는 샘플 또는 마스크가 한 방향으로만 스테핑하도록 요구하면서 2차원 감도와 등방성 분해능을 허용하는 원형 조리개 행을 오프셋하여 얻은 마스크 디자인을 제시합니다. 우리는 맞춤형 팬텀과 생물학적 표본의 이미지를 제시하여 정량적 위상 검색과 조리개 제한에 가까운 공간 해상도가 두 개의 직교 방향으로 얻어짐을 보여줍니다.

기존 X선 이미지의 대비는 물질을 통과하는 X선의 감쇠에 따라 달라집니다. 기존의 X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 감쇠 신호를 기반으로 재료의 내부 구조에 대한 정보를 3차원으로 제공합니다1. 평면 X-레이(방사선 촬영)와 CT는 모두 의학 및 재료 과학을 포함한 다양한 응용 분야에서 일상적으로 사용됩니다. 그러나 샘플이 약하게 감쇠되는 경우(예: 생물학적 조직) 및/또는 유사한 감쇠를 갖는 여러 재료로 구성된 경우 대비가 낮아집니다.

감쇠 기반 X선 영상의 한계를 극복하는 것은 지난 수십 년 동안 광범위한 연구의 주제였습니다. 한 가지 접근 방식은 이미지 형성에서 X선이 물질을 통과하는 동안 경험하는 위상 변화를 활용하여 굴절 효과를 발생시키는 것입니다(굴절 각도는 위상 변화의 1차 도함수에 비례합니다2,3). X선 위상차 영상(XPCI)과 단층 촬영(XPC-CT)은 감쇠 기반 방법에 비해 많은 장점이 있는 강력한 기술입니다. 특히 훨씬 더 높은 대비를 가능하게 합니다4. 이로 인해 동일한 X선 통계에 대해 CNR(대조음 대 잡음비)이 증가하여 궁극적으로 기존 X선 영상에서는 볼 수 없는 세부 사항을 감지할 수 있으며 다양한 재료를 더 쉽게 구별할 수 있습니다. 또한, 위상 기반 대비는 높은 X선 에너지에서 유지될 수 있으며, 이는 시료에 쌓이는 선량의 양을 줄여주며3,5 이는 생체의학 영상화에 특히 유용한 이점입니다.

이미지 형성에서 X선 ​​위상을 활용하는 이미징 기술에는 전파 기반 이미징 방법6, 분석기 기반 이미징 방법7, 스펙클 기반 이미징 방법8, 크리스탈 기반 간섭계 방법9, 격자 기반 간섭계 방법10 및 격자 기반 비간섭계 방법11이 포함됩니다. . 이러한 방법은 다양한 실험 설정을 사용하여 위상 감도를 생성하고 결과적으로 X선 빔 공간적 및 시간적 일관성 측면에서 요구 사항이 매우 높습니다. 과거12,13,14에서는 서로 다른 XPCI 방법을 정량적으로 비교하려는 시도가 있었습니다.

본 논문의 주제는 격자 기반의 비간섭 이미징 방법이다. 이 범주의 방법은 일반적으로 X선 빔을 무시할 수 있는 상호 중첩이 있는 빔렛 배열로 구조화하는 샘플 상류에 교대로 흡수 및 전송 격벽이 있는 마스크인 변조기를 사용합니다. 샘플의 감쇠와 굴절은 각각 강도 감소와 빔렛의 측면 이동으로 이어집니다. 후자에 대한 민감도는 검출기의 두 번째 마스크(가장자리 조명11)를 사용하거나 빔렛을 개별적으로 분해할 수 있을 만큼 충분히 작은 픽셀 크기를 가진 검출기를 사용하여 달성됩니다(빔 추적15). 작은 픽셀 크기 검출기에 대한 요구 사항으로 인해 시야가 제한되지만 빔 추적에는 감쇠 및 굴절 신호가 단일 프레임에서 검색된다는 상당한 이점이 있습니다. 감지 메커니즘, 가장자리 조명 및 빔 추적 모두 암시야(소각 산란) 신호의 검색도 가능하다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 이는 새로운 마스크 디자인이 허용하는 단방향 스캐닝에 초점을 맞춘 이 작업의 범위를 벗어나는 것으로 간주되었습니다. 우리는 처음에 싱크로트론 방사선16을 사용하여 빔 추적 XPCI를 테스트한 다음 이를 실험실 설정15으로 변환했습니다. 두 경우 모두 긴 평행 슬릿이 있는 마스크를 사용하여 1차원 위상 감도를 달성했습니다. 이 기술은 둥근 구멍이 있는 마스크를 사용하여 2차원 위상 감도를 위해 CT17,18에 대해 추가로 개발되었으며 이러한 두 가지 기술을 싱크로트론 방사선21 및 소형 실험실 설정22과 결합하여 개발되었습니다. 충분한 해상도를 가진 검출기를 사용하여 빔렛 배열의 직접 해상도는 Shack-Hartman 파면 센서(그러나 렌즈를 사용함)와 유사점을 공유하며 실제로 다른 그룹은 훨씬 더 일찍 유사한 개념을 개발했다는 ​​점에 유의해야 합니다.