В принципе, рентгеновская компьютерная томография (КТ) существует с 1960-х годов: рентгеновские изображения объекта получают с разных направлений, а затем компьютер использует отдельные изображения для создания трехмерного изображения объекта. Контраст создается за счет дифференциального поглощения рентгеновских лучей разнородными материалами.
Однако новый метод, разработанный Францем Пфайффером, профессором биомедицинской физики в ТУМ и его командой, использует рассеяние рентгеновских лучей, а не их поглощение. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Рассеяние дает детальные изображения наноструктур.Теоретически рентгеновские лучи действуют как свет с очень короткой длиной волны.
Этот принцип лежит в основе нового метода: когда свет падает на структурированный объект, например компакт-диск, отраженный свет создает характерный радужный узор. Хотя тонкие бороздки на компакт-диске нельзя увидеть напрямую, дифракция световых лучей, известная как рассеяние, косвенно показывает структуру объекта.Тот же эффект можно наблюдать с рентгеновскими лучами, и именно это явление исследователи используют в своей новой технике. Преимущество рентгеновских лучей перед видимым светом состоит в том, что они могут проникать в материалы, предоставляя подробную информацию о внутренней структуре объектов.
Теперь исследователи объединили эту трехмерную информацию из рассеянных рентгеновских лучей с компьютерной томографией (КТ).Традиционные методы КТ вычисляют ровно одно значение, известное как воксель, для каждой точки трехмерного изображения в объекте.
Новый метод присваивает несколько значений каждому вокселю, поскольку рассеянный свет приходит с разных направлений. «Благодаря этой дополнительной информации мы можем узнать гораздо больше о наноструктуре объекта, чем с помощью традиционных методов компьютерной томографии. Косвенно измеряя рассеянное рентгеновское излучение, мы теперь можем визуализировать мельчайшие структуры, которые слишком малы для прямого пространственного измерения. резолюции », — объясняет Франц Пфайффер.Внутренний вид зубаВ демонстрационных целях ученые исследовали кусок человеческого зуба размером около трех миллиметров.
Большая часть человеческого зуба состоит из дентина. Он состоит в основном из минерализованных коллагеновых волокон, структура которых во многом определяет механические свойства зуба.
Теперь ученые визуализировали эти крошечные волоконно-оптические сети.Всего было получено 1,4 миллиона рассеянных изображений, при этом рассеянный свет приходил с разных направлений. Затем отдельные изображения обрабатывались с использованием специально разработанного алгоритма, который шаг за шагом строил полную реконструкцию трехмерного распределения рассеянных лучей. «Наш алгоритм вычисляет точное направление информации о рассеянии для каждого изображения, а затем формирует группы с одинаковым направлением рассеяния.
Это позволяет точно реконструировать внутренние структуры», — говорит Мартин Бек, бывший постдок ТУМ, а теперь доцент университета. Лунда.
Используя этот метод, впервые стало возможным четко проследить трехмерную ориентацию коллагеновых волокон в образце такого размера. Результаты согласуются с ранее полученными сведениями о структурах из шлифов. «Сложный метод компьютерной томографии по-прежнему больше подходит для исследования крупных объектов.
Однако наш новый метод позволяет впервые визуализировать структуры в нанометровом диапазоне в объектах миллиметрового размера с таким уровнем точности», — говорит Флориан Шафф, ведущий специалист. Автор статьи.