Des chercheurs ont combiné l’imagerie fantôme computationnelle et la mesure de la fluorescence aux rayons X de manière efficace et à haute résolution pour produire des cartes d’éléments chimiques. Cette nouvelle méthode pourrait être utile pour toute une série d’applications en biomédecine, en science des matériaux, en archéologie, en art et en industrie. Crédit : Sharon Shwartz, Université Bar Ilan
En éliminant les lentilles, cette avancée pourrait profiter à une foule d’applications, notamment l’imagerie médicale, l’inspection industrielle et l’analyse de l’art.
Des chercheurs ont mis au point une nouvelle technique sans focalisation pour créer des cartes chimiques à l’aide de la fluorescence des rayons X. Cette approche offre une résolution rapide et élevée. Cette approche offre des mesures rapides et à haute résolution, ce qui pourrait être utile pour analyser la composition chimique pour une série d’applications en biomédecine, en science des matériaux, en archéologie, en art et dans l’industrie.
“Notre nouvelle méthode combine les techniques bien connues de l’imagerie fantôme computationnelle et de la mesure de la fluorescence des rayons X pour créer un moyen efficace et à haute résolution de produire des cartes d’éléments chimiques”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche, Sharon Shwartz, de l’Université Bar Ilan en Israël. “Nous nous attendons à ce que cela permette la cartographie chimique d’objets plus grands à des résolutions plus élevées que ce qui est possible aujourd’hui, tout en permettant également la mesure d’objets 3D complexes.”
Sur Optica, la revue du groupe d’édition Optica consacrée à la recherche à fort impact, Shwartz et ses collègues décrivent leur nouvelle technique de fluorescence fantôme calculée par rayons X. Cette approche ne nécessite aucune focalisation et réduit le balayage nécessaire, ce qui raccourcit considérablement le temps de mesure. Cette approche ne nécessite aucune focalisation et réduit le balayage nécessaire, ce qui raccourcit considérablement le temps de mesure. En outre, le fait qu’elle puisse être réglée pour détecter des éléments spécifiques tout en étant aveugle aux tissus humains pourrait permettre de nouvelles applications telles que les scanners de sécurité corporels qui améliorent la confidentialité.
“L’imagerie médicale, qui est réalisée à des énergies de rayons X où les lentilles ne sont pas pratiques, pourrait également bénéficier de notre approche”, a déclaré Shwartz. “Elle pourrait être appliquée pour améliorer la qualité de l’imagerie médicale par rayons X en renforçant le contraste des tissus ou pour réduire la dose de rayons X nécessaire pour obtenir des images utiles.”
Voir sous la surface
La fluorescence X est utilisée pour déterminer les éléments chimiques présents dans un échantillon en mesurant la fluorescence émise par l’échantillon après qu’il ait été excité par une source de rayons X. Les données acquises avec cette méthode non destructive ne peuvent pas être comparées à celles d’autres méthodes. Les données acquises grâce à cette technique d’analyse non destructive peuvent être utilisées pour créer des cartes chimiques qui ont révélé des couches cachées dans des peintures célèbres et sont utilisées pour inspecter des pièces critiques de l’aérospatiale, par exemple.
La cartographie des éléments chimiques par fluorescence de rayons X implique traditionnellement la focalisation du faisceau de rayons X d’entrée, puis la mesure de la fluorescence émise par la zone. Une carte chimique est construite en balayant l’échantillon point par point et en enregistrant l’intensité de la fluorescence en chaque point. Cependant, cette approche est lente en raison du balayage nécessaire. De plus, la résolution spatiale des mesures est limitée par les capacités des lentilles utilisées pour la mise au point.
“Ces limitations deviennent encore plus importantes lorsque des énergies de rayons X supérieures à 20 keV sont utilisées ou lorsque l’on essaie d’acquérir des informations en 3D”, a déclaré Shwartz. “Bien que des énergies de rayons X plus élevées pourraient permettre la cartographie chimique d’objets plus épais ou d’échantillons contenant des éléments denses et lourds, il n’est pas possible d’utiliser ces énergies de photons plus élevées en raison des limitations des technologies standard.”
Élimination des lentilles
Les chercheurs se sont tournés vers l’imagerie fantôme computationnelle pour supprimer certaines des limites de l’analyse conventionnelle de la fluorescence des rayons X. Cette méthode d’imagerie non traditionnelle fonctionne en corrélant deux faisceaux qui, individuellement, ne portent aucune information significative sur l’objet. Un faisceau code un motif aléatoire qui sert de référence et ne sonde jamais directement l’échantillon, tandis que l’autre faisceau interagit avec l’échantillon.
Les chercheurs ont modifié l’approche de l’imagerie fantôme afin qu’elle puisse être utilisée pour cartographier les éléments chimiques. Bien que les méthodes d’imagerie fantôme impliquent généralement la mesure du rayonnement transmis, les chercheurs ont mesuré la fluorescence émise à la place.
“La mesure de la fluorescence des rayons X nous permet d’identifier chaque élément chimique sur la base de son spectre d’émission unique”, a déclaré Shwartz. “En utilisant un détecteur qui peut résoudre les énergies du rayonnement émis, nous pouvons identifier la contribution de chaque élément au rayonnement détecté.”
Le motif aléatoire requis pour l’imagerie fantôme est généralement créé en ajoutant une modulation spatiale connue, ou variation, à l’intensité du faisceau utilisé pour irradier l’objet. Les chercheurs ont obtenu ce résultat en répétant les mesures de fluorescence pour différentes intensités d’entrée.les modèles d’intensité du faisceau.
Assembler le tout
La nouvelle approche de la fluorescence fantôme calculée par rayons X produit deux ensembles de données pour chaque énergie photonique – l’un avec les distributions spatiales du faisceau d’entrée et l’autre avec les mesures de la fluorescence émise. Un programme informatique rassemble ensuite ces données et superpose toutes les données d’imagerie des différentes énergies photoniques pour créer une carte des éléments chimiques de l’objet.
Les chercheurs ont utilisé leur nouvelle méthode pour créer une carte des éléments chimiques d’un objet composé de fer et de cobalt. Ils ont montré que l’utilisation d’un algorithme de détection compressive réduisait le nombre de balayages de près d’un facteur 10 par rapport aux techniques standard basées sur le balayage.
“Comme notre installation est simple et peut fournir de meilleures performances que les approches actuelles, nous pensons qu’elle ouvrira de nouvelles possibilités dans de nombreuses disciplines, notamment la biologie, la chimie, l’art et l’archéologie”, a déclaré M. Shwartz. “De plus, il sera facile d’étendre notre méthode à des énergies photoniques plus élevées, qui ne sont pas accessibles avec les méthodes actuelles.”
Ensuite, ils prévoient d’appliquer les nouvelles méthodes à la cartographie chimique en 3D et de démontrer l’applicabilité de la méthode à l’imagerie médicale.
Référence : “Chemical element mapping by x-ray computational ghost fluorescence” par Yishay Klein, Or Sefi, Hila Schwartz, et Sharon Shwartz, 13 janvier 2022, Optica.
DOI : 10.1364/OPTICA.441682
