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volumetric medical x-ray imaging at extremely low dose

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L’imaging a raggi X 3D a basse dosi apre nuovi orizzonti

La tomografia computerizzata (TC) ha rivoluzionato la diagnostica per immagini ma un aspetto negativo principale è l’esposizione a dosi elevate di raggi X. Il progetto VOXEL ha generato una nuova tecnologia che consente l’imaging a raggi X volumetrico 3D a dosi di irradiazione molto basse per ridurre i rischi di esposizione alle radiazioni.

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Una tomografia TC utilizza una sorgente di raggi X rotante che cattura migliaia di viste da diverse angolazioni per costruire immagini digitali 3D in sezione trasversale. Ciò è necessario perché il rilevatore vede solo l’ombra dell’intero oggetto per ogni vista.

Una nuova fotocamera per raggi X

Il progetto VOXEL, finanziato dall’UE, ha proposto di superare questa limitazione impiegando una fotocamera plenottica. Come spiega la coordinatrice del progetto Marta Fajardo, «il nostro approccio registra non solo la luce che raggiunge il rivelatore, ma anche da quale direzione proviene questa luce. Ciò significa che possiamo calcolare, con una certa precisione, ogni punto dell’oggetto, in 3D, da un’unica vista». Il team scientifico di VOXEL è leader nella metrologia a raggi X, nel rilevamento del fronte d’onda, nella fisica atomica, nell’informatica matematica e nella diagnostica per immagini. Durante il progetto, hanno sviluppato una nuova fotocamera, che consiste in una sorgente di raggi X che collima l’ottica per irradiare l’oggetto nel modo più efficiente possibile, seguita da una lente principale, un sistema per catturare la direzione del raggio in arrivo, e un rivelatore. Questa è la prima volta che questo tipo di configurazione della telecamera è stata sviluppata per i raggi X. I ricercatori hanno dovuto superare le sfide tecniche associate alla costruzione dell’ottica a raggi X. Hanno impiegato studi ingegneristici e matematici su un prototipo usando la luce visibile, il che li ha aiutati a limitare la progettazione dell’ottica a raggi X. Ciò ha portato alla generazione di due prototipi di fotocamere, uno per la microscopia a piccole cellule biologiche utilizzando la luce a raggi X morbida e un altro per l’imaging di piccoli animali utilizzando raggi X più difficili. Gli scienziati sono appena riusciti a catturare le prime immagini plenottiche a raggi X dai voxel e l’elaborazione dei dati è in corso. Tuttavia, le loro misurazioni hanno convalidato la progettazione della fotocamera per il recupero di informazioni 3D ad altissima risoluzione utilizzando raggi X deboli. «Indubbiamente, far funzionare l’imaging plenottico con i raggi X è il nostro risultato più significativo», afferma Fajardo. Inoltre, osserva che i team scientifici sono molto vicini alla realizzazione di una fotocamera 3D per applicazioni su piccoli animali o a livello istologico. Un intero corpo umano non è ancora possibile e richiederebbe ulteriori progressi nell’ottica a raggi X.

Prospettive future della fotocamera a raggi X

Secondo Fajardo, VOXEL ha intrapreso un’avventura molto rischiosa quattro anni fa, ma la collaborazione attiva e stretta delle diverse squadre ha portato a un risultato positivo. Le competenze e le collaborazioni acquisite attraverso il progetto hanno aiutato i membri della squadra ad affermarsi sul campo e hanno contribuito alla formazione della prossima generazione di giovani scienziati. Evitando la rotazione della sorgente di raggi X o del campione, la tecnologia dirompente VOXEL consente l’uso di dosi di irraggiamento estremamente basse per il massimo impatto su medicina e biologia. Nonostante i prototipi, ci sono ancora molte sfide progettuali prima che una fotocamera a raggi X venga prodotta per scopi commerciali. Il partner industriale di VOXEL ha già garantito una piattaforma di lancio per tecnologie future ed emergenti (FET) volta a studiare il potenziale commerciale della fotocamera a raggi X. Saranno necessari finanziamenti supplementari per aumentare il livello di adeguatezza della tecnologia del prototipo e supportare il suo sviluppo futuro dalla fase di dimostrazione di fattibilità a innovazione medica.

Parole chiave

VOXEL, raggi X, fotocamera, imaging, ottica, prototipo, plenottico, dose, irradiazione, scansione TC

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