単一のサンプルを使用したサンプルの微細構造の定量化について

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11001 (2023) この記事を引用

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X 線イメージング システムで検出可能なサンプルの最小特徴のサイズは、通常、システムの空間解像度によって制限されます。 この制限は、未分解の位相効果または未分解のサンプル微細構造からの超小角 X 線散乱によって生成される拡散暗視野信号を使用することで克服できるようになりました。 この暗視野信号の定量的測定は、医療診断、セキュリティスクリーニング、材料科学のための微細構造のサイズや材料を明らかにするのに役立ちます。 最近、我々は、単一露光グリッドベースのアプローチを使用して、散乱角の観点から拡散暗視野信号を定量化する新しい方法を導き出しました。 この原稿では、この単一露光の暗視野信号からサンプルの微細構造のサイズを定量化する問題を検討します。 これを行うには、1.0 ～ 10.8 μm の範囲の 5 つの異なるサイズのポリスチレン微小球によって生成される拡散暗視野シグナルを定量化し、抽出された暗視野シグナルの強度がサンプルの微細構造サイズ \(S\ によってどのように変化するかを調査します) ）。 また、特定のサイズと厚さの微細構造を前提として、最適な伝播距離の単純な方程式を使用して単一露光暗視野イメージングを実行する実現可能性を調査し、このモデルと実験データの間の一貫性を示します。 私たちの理論モデルは、暗視野散乱角が \(\sqrt{S}\) に反比例すると予測しており、これは実験データとも一致しています。

X 線発生器と検出器の進歩、およびコンピューター断層撮影 1,2 の導入により、X 線イメージングは​​サンプルの内部構造を非侵襲的に明らかにする広く使用される技術になりました。 従来の X 線イメージングでは、サンプル内のさまざまな材料の減衰能力の違いを明らかにして、画像のコントラストを作り出します。 これは現在、臨床現場、材料科学、セキュリティスクリーニングで使用される標準的な画像技術の 1 つです3。 ただし、軟生体組織などの減衰の弱い材料で作られたサンプルでは、​​画像のコントラストが大幅に低下します。 ここ数十年で、同様の減衰特性を持つ材料で構成されたサンプルの画像コントラストを高めるために、位相コントラスト X 線イメージング (PCXI) として知られる高度な X 線イメージング技術が開発されました。 PCXI は、サンプルを通過するときに X 線波面が経験する位相シフトを、検出器で測定できる強度変調に変換する一連の技術をカバーしています。 例としては、伝播ベースのイメージング (PBI)4、5、6、7、アナライザーベースのイメージング (ABI)8、9、10、11、回折格子干渉法 (GI)12、13、14、15、エッジ照明 ( EI)16、17、18、19、シングルグリッドイメージング20、21、およびスペックルベースのイメージング22、23。

X 線イメージング システムにおける検出可能なサンプルの最小特徴のサイズは、通常、システムの空間解像度によって制限されます。 拡散暗視野イメージング (以降、簡単にするために「暗視野イメージング」と呼びます) は、この制限を回避する方法です。 このような暗視野イメージングでは、サンプルの微細構造からの拡散散乱（小角 X 線散乱 (SAXS) や超小角 X 線散乱 (USAXS) など）を観察して、その存在を検出します。 暗視野信号は、従来の全視野または位相コントラスト X 線イメージング技術を使用した場合には見えない、空間的にランダムなサンプルの微細構造の存在を明らかにできるため便利です。 暗視野モダリティは、暗視野生成機能が必要な場合に必要となるよりも大きなピクセルサイズの検出器の使用を可能にするという点で、線量効率が向上する可能性があります（したがって、効率が高くなる可能性があります）。直接解決されます。

暗視野信号は、ほとんどの PCXI 技術を使用して定性的に測定されており、暗視野情報がピクセルの近傍全体で見られるコントラストから抽出されるアプローチ (PBI24、25 やシングルグリッド イメージング 20、26、 27)、または多重露光から暗視野がピクセルごとに抽出されるアプローチ (ABI28、GI29、および EI30、31、32 など) を介して行われます。 興味深いケースの 1 つは、多重露光のスペックル追跡です。この場合、暗視野は複数の露光にわたるピクセルの局所的近傍から抽出されます。 スペックルがどのように変化するかを分析するために、明示的アプローチ 23,33,34 と暗黙的アプローチ 35,36,37 の両方を使用して、暗視野信号がスペックルベースのセットアップから取得されたことは注目に値します。 明示的スペックル追跡アプローチでは、スペックルの変化/動きはピクセルの各局所近傍で追跡されますが、暗黙的スペックル追跡アプローチでは、強度が全体にどのように変換および拡散するかを観察することによってスペックルの変化が追跡されます。 1 つの画像全体分析ステップを使用して画像を作成します。 暗視野 X 線イメージングは​​、暗視野シグナルが定量化され、サンプルの微細構造の特性に関連している場合、サイズ、材質、またはサンプルを抽出するために追加の用途が見つかります 38,39,40,41,42,43,44。個々の微細構造の配置。