Forscher nutzen Ghost-Imaging, um chemische Röntgenfluoreszenzkartierung zu beschleunigen
Durch den Wegfall von Linsen könnte dieser Fortschritt einer Vielzahl von Anwendungen zugute kommen
Forscher haben eine neue, fokussierungsfreie Technik zur Erstellung chemischer Karten mittels Röntgenfluoreszenz entwickelt. Der Ansatz bietet schnelle, hochauflösende Messungen, die für die Analyse der chemischen Zusammensetzung für eine Reihe von Anwendungen in der Biomedizin, Materialwissenschaft, Archäologie, Kunst und Industrie nützlich sein könnten.
Forscher haben rechnerische Geisterbilder und Röntgenfluoreszenzmessungen in einer hochauflösenden und effizienten Weise kombiniert, um chemische Elementkarten zu erstellen. Die neue Methode könnte für eine Reihe von Anwendungen in der Biomedizin, Materialwissenschaft, Archäologie, Kunst und Industrie nützlich sein.
Sharon Shwartz, Bar Ilan University
"Unsere neue Methode kombiniert die bekannten Techniken der Ghost-Imaging-Berechnung und der Röntgenfluoreszenzmessung zu einer hochauflösenden und effizienten Methode zur Erstellung von Karten chemischer Elemente", so die Leiterin des Forschungsteams Sharon Shwartz von der Bar Ilan Universität in Israel. "Wir gehen davon aus, dass dies die chemische Kartierung größerer Objekte mit höherer Auflösung als heute ermöglicht und auch die Messung komplexer 3D-Objekte erlaubt."
In Optica, der Fachzeitschrift der Optica Publishing Group für Spitzenforschung, beschreiben Shwartz und Kollegen ihre neue computergestützte Röntgen-Ghost-Fluoreszenztechnik. Der Ansatz erfordert keine Fokussierung und reduziert den erforderlichen Scanvorgang, was die Messzeit deutlich verkürzt. Die Tatsache, dass das Verfahren auf die Erkennung spezifischer Elemente abgestimmt werden kann, während es für menschliches Gewebe blind ist, könnte neue Anwendungen ermöglichen, wie z. B. Ganzkörper-Sicherheitsscanner, die die Privatsphäre verbessern.
"Auch die medizinische Bildgebung, die bei Röntgenenergien durchgeführt wird, bei denen Linsen nicht praktikabel sind, könnte von unserem Ansatz profitieren", so Shwartz. "Er könnte eingesetzt werden, um die Qualität medizinischer Röntgenbilder zu verbessern, indem der Gewebekontrast erhöht wird, oder um die Röntgendosis zu verringern, die für brauchbare Bilder erforderlich ist.
Unter die Oberfläche blicken
Die Röntgenfluoreszenz wird verwendet, um die chemischen Elemente in einer Probe zu bestimmen, indem die Fluoreszenz gemessen wird, die von einer Probe emittiert wird, nachdem sie von einer Röntgenquelle angeregt wurde. Die mit dieser zerstörungsfreien Analysetechnik gewonnenen Daten können zur Erstellung chemischer Karten verwendet werden, die zum Beispiel verborgene Schichten in berühmten Gemälden aufgedeckt haben und zur Prüfung kritischer Teile in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.
Bei der Kartierung chemischer Elemente mit Röntgenfluoreszenz wird traditionell der einfallende Röntgenstrahl fokussiert und dann die von dem Bereich emittierte Fluoreszenz gemessen. Eine chemische Karte wird erstellt, indem die Probe Punkt für Punkt gescannt und die Fluoreszenzintensität an jedem Punkt aufgezeichnet wird. Dieser Ansatz ist jedoch aufgrund des erforderlichen Scannens langsam. Außerdem ist die räumliche Auflösung der Messungen durch die Fähigkeiten der zur Fokussierung verwendeten Linsen begrenzt.
"Diese Einschränkungen werden noch deutlicher, wenn Röntgenenergien von mehr als 20 keV verwendet werden oder wenn versucht wird, 3D-Informationen zu erfassen", sagt Shwartz. "Obwohl höhere Röntgenenergien die chemische Kartierung von dickeren Objekten oder Proben mit dichten und schweren Elementen ermöglichen könnten, ist es aufgrund der Einschränkungen der Standardtechnologien nicht möglich, diese höheren Photonenenergien zu verwenden."
Linsen eliminieren
Die Forscher wandten sich dem computergestützten Ghost-Imaging zu, um einige der Einschränkungen der herkömmlichen Röntgenfluoreszenzanalyse zu beseitigen. Bei dieser nicht-traditionellen Bildgebungsmethode werden zwei Strahlen miteinander korreliert, die einzeln keine aussagekräftigen Informationen über das Objekt enthalten. Ein Strahl kodiert ein Zufallsmuster, das als Referenz dient und nie direkt die Probe untersucht, während der andere Strahl mit der Probe interagiert.
Die Forscher modifizierten das Ghost-Imaging-Verfahren so, dass es für die Kartierung chemischer Elemente verwendet werden kann. Während bei Ghost-Imaging-Methoden normalerweise die transmittierte Strahlung gemessen wird, haben die Forscher stattdessen die emittierte Fluoreszenz gemessen.
"Die Messung der Röntgenfluoreszenz ermöglicht es uns, jedes chemische Element anhand seines einzigartigen Emissionsspektrums zu identifizieren", sagt Shwartz. "Durch die Verwendung eines Detektors, der die Energien der emittierten Strahlung auflösen kann, können wir den Beitrag jedes Elements zur detektierten Strahlung identifizieren."
Das für die Ghost-Imaging erforderliche Zufallsmuster wird normalerweise durch Hinzufügen einer bekannten räumlichen Modulation oder Variation der Intensität des Strahls, mit dem das Objekt bestrahlt wird, erzeugt. Die Forscher erreichten dies, indem sie die Fluoreszenzmessungen für verschiedene Eingangsstrahlintensitätsmuster wiederholten.
Das Ganze zusammenfügen
Das neue computergestützte Röntgen-Ghost-Fluoreszenztechnik erzeugt zwei Datensätze für jede Photonenenergie - einen mit den räumlichen Verteilungen des Eingangsstrahls und einen mit den emittierten Fluoreszenzmessungen. Ein Computerprogramm fügt dann diese Daten zusammen und überlagert alle Bilddaten der verschiedenen Photonenenergien, um eine Karte der chemischen Elemente des Objekts zu erstellen.
Die Forscher verwendeten ihre neue Methode, um eine Karte der chemischen Elemente eines Objekts aus Eisen und Kobalt zu erstellen. Sie zeigten, dass die Verwendung eines Algorithmus für komprimierende Abtastung die Anzahl der Abtastungen im Vergleich zu herkömmlichen Abtastverfahren fast um den Faktor 10 reduziert.
"Da unser Aufbau einfach ist und eine bessere Leistung als die heutigen Ansätze bietet, erwarten wir, dass er neue Möglichkeiten in vielen Disziplinen wie Biologie, Chemie, Kunst und Archäologie eröffnen wird", so Shwartz. "Außerdem wird es einfach sein, unsere Methode auf höhere Photonenenergien auszuweiten, die mit den heutigen Methoden nicht zugänglich sind."
Als Nächstes planen sie, die neuen Methoden auf die chemische 3D-Kartierung anzuwenden und die Anwendbarkeit der Methode für die medizinische Bildgebung zu demonstrieren.
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