Na quantificação da microestrutura da amostra usando single

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11001 (2023) Citar este artigo

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O tamanho da menor amostra detectável em um sistema de imagem de raios X é geralmente restringido pela resolução espacial do sistema. Esta limitação pode agora ser superada usando o sinal difusivo de campo escuro, que é gerado por efeitos de fase não resolvidos ou pelo espalhamento de raios X de ângulo ultrapequeno de microestruturas de amostras não resolvidas. Uma medida quantitativa deste sinal de campo escuro pode ser útil para revelar o tamanho da microestrutura ou material para diagnóstico médico, triagem de segurança e ciência de materiais. Recentemente, derivamos um novo método para quantificar o sinal difusivo de campo escuro em termos de um ângulo de espalhamento usando uma abordagem baseada em grade de exposição única. Neste manuscrito, analisamos o problema de quantificar o tamanho da microestrutura da amostra a partir deste sinal de campo escuro de exposição única. Fazemos isso quantificando o sinal difusivo de campo escuro produzido por 5 tamanhos diferentes de microesferas de poliestireno, variando de 1,0 a 10,8 µm, para investigar como a força do sinal de campo escuro extraído muda com o tamanho da microestrutura da amostra, \(S\ ). Também exploramos a viabilidade de realizar imagens de campo escuro de exposição única com uma equação simples para a distância de propagação ideal, dada a microestrutura com tamanho e espessura específicos, e mostramos consistência entre este modelo e os dados experimentais. Nosso modelo teórico prevê que o ângulo de espalhamento do campo escuro é inversamente proporcional a \(\sqrt{S}\), o que também é consistente com nossos dados experimentais.

Com os avanços nos geradores e detectores de raios X, bem como a introdução da tomografia computadorizada1,2, a imagem radiográfica tornou-se uma técnica amplamente utilizada que revela de forma não invasiva a estrutura interna de uma amostra. A imagem convencional de raios X manifesta a diferença na capacidade de atenuação de diferentes materiais na amostra para criar contraste de imagem. É agora uma das técnicas de imagem padrão utilizadas na prática clínica, ciência dos materiais e triagem de segurança3. No entanto, o contraste da imagem é significativamente degradado para amostras feitas de materiais fracamente atenuantes, tais como tecidos biológicos moles. Nas últimas décadas, técnicas avançadas de imagem por raios X conhecidas como imagens de raios X por contraste de fase (PCXI) foram desenvolvidas, para aumentar o contraste da imagem para amostras feitas de materiais que possuem propriedades atenuantes semelhantes. PCXI cobre um conjunto de técnicas que convertem a mudança de fase experimentada pelo campo de onda dos raios X ao passar pela amostra, em uma modulação de intensidade que pode ser medida em um detector. Os exemplos incluem imagem baseada em propagação (PBI) 4,5,6,7, imagem baseada em analisador (ABI) 8,9,10,11, interferometria de rede (GI) 12,13,14,15, iluminação de borda ( EI)16,17,18,19, imagem de grade única20,21 e imagem baseada em speckle22,23.

O tamanho do menor recurso de amostra detectável, em um sistema de imagem de raios X, é normalmente restrito pela resolução espacial do sistema. A imagem difusa de campo escuro (doravante denominada 'imagem de campo escuro' para simplificar) é uma forma de contornar esse limite. Essas imagens de campo escuro analisam o espalhamento difuso - por exemplo, espalhamento de raios X de pequeno ângulo (SAXS) ou espalhamento de raios X de ângulo ultrapequeno (USAXS) - a partir de microestruturas de amostras, a fim de detectar sua presença. O sinal de campo escuro é útil, pois pode revelar a presença de microestrutura de amostra espacialmente aleatória, que de outra forma é invisível quando se usam técnicas de imagem de raios X convencionais ou de contraste de fase de campo completo. A modalidade de campo escuro tem o potencial de ser eficiente em termos de dose, na medida em que permite a utilização de um detector com um tamanho de pixel maior (e, portanto, provavelmente com maior eficiência) do que seria necessário se as características geradoras de campo escuro fossem ser resolvido diretamente.

O sinal de campo escuro foi medido qualitativamente usando a maioria das técnicas PCXI, seja através de uma abordagem onde a informação de campo escuro é extraída do contraste visto através de uma vizinhança de pixels (como PBI24,25 e imagem de grade única20,26, 27), ou através de uma abordagem em que o campo escuro é extraído pixel por pixel de múltiplas exposições (como ABI28, GI29 e EI30,31,32). Um caso interessante é o speckle-tracking de exposição múltipla, onde o campo escuro é extraído de vizinhanças locais de pixels em múltiplas exposições. Vale a pena notar que o sinal de campo escuro foi recuperado de configurações baseadas em manchas usando abordagens explícitas23,33,34 e implícitas35,36,37 para analisar como as manchas mudam. Nas abordagens explícitas de rastreamento de manchas, as mudanças/movimentos nas manchas são rastreadas em cada vizinhança local de pixels, enquanto nas abordagens implícitas de rastreamento de manchas, as mudanças nas manchas são rastreadas observando como a intensidade se traduz e se difunde em todo o todo. imagem, usando uma etapa de análise de imagem inteira. A imagem de raios X de campo escuro encontra aplicações adicionais se o sinal de campo escuro for quantificado e relacionado às propriedades da microestrutura da amostra , a fim de extrair o tamanho, material ou o arranjo das microestruturas individuais.