TAC in HD con la luce di sincrotrone. HD TAC with synchrotron light.

TAC in HD con la luce di sincrotrone. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione. / HD TAC with synchrotron light. The process of the ENEA RM2012A000637 patent is very useful in this application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Immagine ottenuta in modo non invasivo della sezione del tessuto cardiaco di un topo realizzata con tomografia X a contrasto di fase “propagation-based”, metodo che fornisce immagini più nitide, e con una risoluzione superiore, rispetto agli altri due considerati nello studio. Crediti: Irene Zanette/Technische Universität München.

A non-invasive image of the rat's section of a rat heart made of "propagation-based" phase contrast tomography X, a method that provides smoother images and with a higher resolution than the other two considered in the study. Credits: Irene Zanette / Technische Universität München.

Non raggi X convenzionali, bensì radiazione di sincrotrone. Utilizzata per mettere a confronto tre metodi per la tomografia. Media INAF ha intervistato la coordinatrice dello studio pubblicato sul Journal of Applied Physics, Irene Zanette, della Technische Universität di Monaco

Cos’hanno in comune nebulose come quella che ospita la pulsar del Granchio, buchi neri come Cygnus-X1 e acceleratori di particelle come quello che sorge presso l’Area Science Park di Trieste? Se avete seguito i link già lo sapete: sono tutte sorgenti in grado di emettere una radiazione assai particolare: la luce di sincrotrone. Ebbene, la luce di sincrotrone, prodotta da particelle cariche accelerate a velocità relativistiche e costrette a seguire traiettorie curve, oltre a pervadere l’universo al punto da infastidire persino le misure di fondo cosmico a microonde, è perfetta per eseguire tomografie a raggi X di altissima qualità, come quella dell’immagine qui a fianco. E se è ancora presto per farvi ricorso in modo diffuso in ambito medico, quando si tratta di studiare le macchine diagnostiche del prossimo futuro è la scelta d’elezione.

È infatti con raggi X di alta qualità prodotti dalla radiazione di sincrotrone che un team di scienziati, sfruttando l’acceleratore della European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), ha messo a confronto tre diverse tecniche di tomografia a contrasto di fase: interferometrica con reticolo, propagation-based con ricostruzione di fase single-distance e olotomografia. I risultati sono pubblicati sull’ultimo numero del Journal of Applied Physics, e dicono che i tre metodi, per quanto riguarda il loro impiego in ambito diagnostico, sono complementari.

Quanto alla scelta dei raggi X da radiazione di sincrotrone al posto dei normali raggi X, per capire cosa li distingue Media INAF ha raggiunto in Australia, dove si trova per una conferenza, la scienziata alla guida del team, Irene Zanette, ricercatrice alla Technische Universität di Monaco, in Germania.

«Nei sincrotroni, gli elettroni vengono accelerati a velocità relativistiche in una traiettoria, più o meno circolare, controllata tramite dei magneti. Quando gli elettroni cambiano di traiettoria, emettono fans [ventagli, ndr] di raggi X molto collimati e intensi, che appunto costituiscono la radiazione di sincrotrone. Essendo radiazione estremamente intensa e di altissima qualità, i raggi X possono venire focalizzati in spot di pochi nanometri e monocromatizzati», spiega Zanette.

E questo quali vantaggi comporta?

«Avere spot con dimensioni così ridotte, da alcuni centimetri ad alcuni nanometri, e radiazione monocromatica permette di studiare differenti proprietà della materia e a diverse scale: da quella atomica o molecolare fino a quella macroscopica utilizzata per limaging, come abbiamo fatto in questo esperimento».

Ma i raggi X che si usano di solito quando andiamo a fare una TAC non sono prodotti in questo modo, no?

«No, in ospedale i raggi X si ottengono attraverso un processo molto simile a quello utilizzato nel 1895 da Röntgen quando li scoprì, quello della storica radiografia della mano della moglie di con l’anello, la prima nella storia. Vengono prodotti su un fan molto più grande rispetto a quello della luce di sincrotrone, sono molto meno intensi e la larghezza di banda in energia è assai più ampia. Certo, poter avere anche negli ospedali un grande fascio per illuminare il corpo umano con qualità simili a quelle della luce di sincrotrone sarebbe meglio: permetterebbe non solo d’ottenere immagini di qualità incredibilmente più alta, come quelle pubblicate nel nostro articolo, ma addirittura di ridurre la dose di radiazione somministrata al paziente».

Allora perché continuiamo a usare i raggi X tradizionali?

«Perché i sincrotroni sono macchine enormi, strutture circolari con un diametro di parecchie decine di metri. Ma c’è, ovviamente, molto interesse, e molti lavori in corso, per trasferire in ambito diagnostico le tecniche che sviluppiamo ai sincrotroni. E gli approcci sono i più diversi. Molti istituti di ricerca, ma anche molte industrie, studiano come trasferire tecniche sofisticate nei tubi a raggi X che già esistono negli ospedali. Altri invece, come il sincrotrone di Trieste (dove ho iniziato la mia carriera) o quello dell’ESRF (a Grenoble, in Francia), cercano di portare i pazienti in queste strutture. Infine, c’è chi studia il modo per rendere più compatti i sofisticati dispositivi per la produzione di radiazione. Dove lavoro attualmente (al TUM, la Technische Universität di Monaco), per esempio, abbiamo comprato il primo esemplare al mondo di sincrotrone compatto, appena 5 metri per 2. Contiamo d’installarlo nei nostri laboratori nei prossimi mesi.

ENGLISH

No conventional X-rays, but synchrotron radiation. Used to compare three methods for tomography. Media INAF interviewed the coordinator of the study published in the Journal of Applied Physics by Irene Zanette of the Technische Universität in Munich

What do they have in common with nebulae like the Crab Pulsar, black holes like Cygnus-X1 and particle accelerators such as those at the Science Park Area in Trieste? If you've followed the links you already know: they are all sources that can give a very special radiation: the synchrotron light. Well, synchrotron light, produced by accelerated charged particles at relativistic speeds and forced to follow curved trajectories, in addition to pervading the universe to the point of bothering even the cosmic microwave background measurements, is perfect for performing X-ray tomography Very high quality, like that of the image here to the side. And if it's too early to get you widespread in the medical field, when it comes to studying diagnostic machines in the near future, it's the choice of choice.

In fact, with high-quality X-rays produced by synchrotron radiation, a team of scientists, using the accelerator of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), compared three different phase-contrast tomography techniques: interferometric with lattice, Propagation-based with single-distance phase reconstruction and holotomography. The results are published in the latest issue of the Journal of Applied Physics, and they say that the three methods, as far as their use in diagnostics is concerned, are complementary.

As to the choice of X-rays of synchrotron radiation instead of the normal X-rays, to understand what distinguishes them from Media INAF has reached Australia, where is for a conference, team-leading scientist Irene Zanette, researcher at Technische Universität Of Munich, Germany.

"In synchrotrons, electrons are accelerated to relativistic speeds in a more or less circular trajectory controlled by magnets. When the electrons change in trajectory, they emit high collimated and intense X-ray fans, which are synchrotron radiation. Being extremely intense and of the highest quality, X-rays can be focused on a few nanometers and monochromated, "explains Zanette.

And what advantages does it bring?

"Having so small dimensions, from a few centimeters to a few nanometers, and monochromatic radiation allows you to study different properties of matter and at different scales: from the atomic or molecular to the macroscopic used for imaging, as we did in this experiment."

But the X-rays that we usually use when we go for a TAC are not produced this way, right?

"No, X-rays in the hospital are obtained through a process very similar to that used in 1895 by Röntgen when he discovered them, that of the historic radiography of the wife's hand with the ring, the first in history. They are produced by a bigger fan than the synchrotron light, they are much less intense and the bandwidth in the energy is much wider. Of course, having a large beam in the hospitals to illuminate the human body with similar qualities to synchrotron light would be better: it would not only be able to obtain incredibly higher quality images, such as those published in our article but even Reduce the dose of radiation given to the patient ».

So why do we continue to use traditional X-rays?

"Because synchrotrons are huge machines, circular structures with a diameter of several tens of meters. But there is, of course, much interest, and much ongoing work, to transfer the techniques we develop to synchrotrons in diagnostics. And the approaches are the most diverse. Many research institutes, but also many industries, are studying how to transfer sophisticated techniques to X-ray tubes that already exist in hospitals. Others, like the synchrotron of Trieste (where I started my career) or the ESRF (in Grenoble, France), try to bring patients into these structures. Finally, there are those who study how to make sophisticated radiation-producing devices more compact. For example, we work at the TUM, Munich Technische Universität, for example, we bought the world's first specimen of synchrotron compact, just 5 meters per 2. We plan to install it in our laboratories in the coming months.

Da:

http://www.media.inaf.it/2014/10/23/tomografia-sincrotrone/