הדור החדש של ההדמיות הכימיות

מיפוי כימיקלים משמש לניתוח הרכב כימי של חומרים ודגימות בתחומים רבים, מכימיה וביולוגיה ועד ארכאולוגיה וניתוח יצירות אמנות. מחקר שבוצע באוניברסיטת בר-אילן שיפר את הביצועים של המיפוי הכימי בתחום קרני הרנטגן בעזרת טכנולוגיה שנקראת "הדמיית רפאים", והתוצאה היא מיפוי מדויק, יעיל ומפורט.

"השיטה החדשה שלנו משלבת טכניקות מוכרות של הדמיית רפאים חישובית ומדידה באמצעות פלואורסצנצית קרני רנטגן לקבלת דרך יעילה ליצירת מפות של יסודות כימיקליים ברזולוציה גבוהה," הסביר מוביל המחקר פרופ' שרון שוורץ מהמחלקה לפיזיקה ומהמכון לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים באוניברסיטת בר-אילן. הטכנולוגיה צפויה לאפשר מיפוי כימיקלי של גופים גדולים ברזולוציה גבוהה יותר מזאת הקיימת היום וכן מדידת גופים תלת-ממדיים מורכבים.

פלואורסצנצית קרני רנטגן משמשת לזיהוי מרכיבים כימיים בתוך דגימה באמצעות מדידת קרינת האור המוקרנת ממנה לאחר שעוררה על ידי קרינת רנטגן. טכנולוגיה זאת משמשת לדוגמה ליצירת מפות כימיקלים, כמו אלה שחשפו שכבות נסתרות ביצירות אמנות מפורסמות.

מיפוי כימיקלים בפלואורסצנצית קרני רנטגן כרוך בדרך כלל במיקוד אלומת קרני הרנטגן ואז מדידת הקרינה הפלואורסצנטית הנפלטת מהאזור. מפה כימיקלית נבנית באמצעות סריקת הדגימה ותיעוד עוצמת הקרינה בכל נקודה ונקודה בדגימה. זוהי שיטה איטית בגלל הזמן הנדרש לסריקה. נוסף על כך העדשות המשמשות למיקוד מגבילות את מידת הרזולוציה של המפה. לדברי פרופ' שוורץ, המגבלות הופכות למשמעותיות אף יותר כאשר משתמשים בעוצמת רנטגן גבוהה (מעל 20 keV) הנדרשת להשגת אינפורמציה תלת-ממדית. אמנם עוצמת רנטגן גבוהה מאפשרת מיפוי של עצמים ודגימות עבים יחסית המכילים מרכיבים דחוסים וכבדים, אך לא ניתן לנצל אותה בשל מגבלותיה של הטכנולוגיה הסטנדרטית. את המגבלה הזאת פותר הפיתוח של שוורץ ושותפיו באמצעות שכלול של הדמיית רפאים.

הדמיית רפאים מבוססת על שקלול מידע הנאסף משתי אלומות רנטגן, שכל אחת מהן בנפרד אינה מספקת שום מידע בעל משמעות על העצם המוקרן. אלומה אחת מקודדת דפוסים אקראיים מבלי לסרוק את הדגימה באופן ישיר והאלומה השנייה מקיימת אינטראקציה עם הדגימה. בדרך כלל, הדמיית רפאים כרוכה במדידת הקרינה העוברת דרך העצם. בשינוי שמציע המחקר הנוכחי נמדדת במקום זאת קרינת האור הנפלטת. כך, בעזרת גלאי, ניתן לזהות כל מרכיב כימי על בסיס ספקטרום פליטת הקרינה שלו.

הטכנולוגיה החדשה מפיקה שתי מערכות נתונים – אחת של פיזור במרחב, המבוססת על מדידת מודולציית הקרינה הפוגעת בדגימה, ושנייה של מדידות ספקטרום האנרגיה של הקרינה הנפלטת מהדגימה. אלגוריתם ייעודי משלב בין הנתונים ויוצר את מפת הכימיקלים של העצם הנבדק. החוקרות והחוקרים השתמשו בשיטה זאת כדי למפות עצם עשוי מהמתכות ברזל וקובלט והראו שניתן לצמצם מאוד את מספר הסריקות הנדרש. "מאחר שהמערך שלנו פשוט ויכול לספק ביצועים טובים יותר מאלה שמציעות הגישות הקיימות היום, אנו צופים שהוא יפתח אפשרויות חדשות בתחומים רבים, ביניהם ביולוגיה, כימיה, אמנות וארכאולוגיה, אמר פרופ' שוורץ. "נוסף על כך יהיה פשוט להרחיב את השיטה לאנרגיות פוטוניות חזקות יותר שאינן נגישות בטכנולוגיות הקיימות היום."

במאמר שפורסם בכתב העת המדעי Optica, מתארים שוורץ ושותפיו את הגישה שאינה מחייבת שימוש בעדשות לשם מיקוד (פוקוס) ומפחיתה את מספר הסריקות הנדרשות, מה שמצמצמם משמעותית את הזמן הנדרש להפקת ההדמיה המבוקשת. הטכנולוגיה אף מאפשרת לאתר אלמנטים ספציפיים תוך "עיוורון" לרקמות חיות, מה שעשוי להתאים ליישומים כמו סריקות לצורכי ביטחון המשפרות את רמת הפרטיות של הנבדקים. השיטה עשויה לתרום גם לתחום ההדמיה הרפואית באמצעות רנטגן מאחר שניתן להשתמש בה להעלאת איכות ההדמיה באמצעות הגברת הניגודיות בין הרקמות או להפחתת כמות הקרינה הנדרשת להשגת הדמיות שימושיות.

צוות המחקר מתכנן ליישם את השיטה החדשה לסריקות כימיקלים תלת-ממדיות ולהדגים את היישימות שלה עבור הדמיה רפואית.

Paper: Y. Klein, O. Sefi, H. Schwartz, S. Shwartz, “Chemical element mapping by x-ray computational ghost fluorescence,” Optica, 9(1), 1­­–8 (2022).
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.441682.

מאת שחר שלוח