A compact multimodal X-ray system for 3D micro-imaging of soft tissue based on the integration of spectral and phase-contrast techniques

Questa proposta di ricerca mira allo sviluppo di protocolli di imaging innovativi che forniscono immagini tridimensionali a scala micrometrica con fase spettrale a raggi X di campioni di tessuti molli a scala centimetrica. Il progetto si basa su un sistema compatto di micro-tomografia computerizzata (μCT) disponibile a Trieste sfruttando un'integrazione unica di due tecnologie abilitanti: un rivelatore cromatico a raggi X e la tecnica di contrasto di fase a illuminazione del bordo. Ciascuna delle due tecnologie innovative garantisce notevoli vantaggi rispetto all'imaging a raggi X convenzionale. I rivelatori cromatici consentono l'imaging spettrale a raggi X (XSI), generando mappe quantitative specifiche del materiale. L'imaging a contrasto di fase a illuminazione del bordo (XPCI) consente l'estrazione di segnali di spostamento di fase e di campo scuro, corrispondenti a una maggiore visibilità dei tessuti molli e delle strutture altamente granulari. Il sistema di laboratorio è stato inizialmente sviluppato per massima flessibilità, consentendo imaging multimodale e multiscale in un'ampia gamma di energie (40 - 100 kV). Questo progetto specializzerà la configurazione, puntando alla massima performance nella sensibilità spettrale, di fase e di segnale di campo scuro a una risoluzione spaziale compatibile con l'istologia virtuale (⪅10 μm). L'obiettivo sarà raggiunto sviluppando protocolli di imaging in ciascuna delle seguenti modalità: 1. CT spettrale, eseguendo acquisizioni in singola ripresa impostando le due soglie del rivelatore cromatico, producendo ad esempio mappe 3D di agenti di contrasto a base di iodio a risoluzioni da 20 a 50 μm con campi visivi (FOV) da 1,5 a 4 cm. 2. CT a contrasto di fase con campo scuro, attraverso EI, producendo mappe di fase e di campo scuro a risoluzione regolabile da 5 a 50 μm e FOV di 2 cm. 3. CT ibrido spettrale - a contrasto di fase, operando il rivelatore in modalità a due soglie e acquisendo immagini EI, fornendo una decomposizione materiale spettrale e di fase combinata. Inoltre, verrà integrato nel sistema un rivelatore completamente spettrale di nuova generazione - Timepix4. Ciò consentirà l'implementazione di una geometria XPCI innovativa, più semplice e scalabile (tracciamento del fascio), consentendo anche la suddivisione post-acquisizione dell'energia e migliorando le prestazioni spettrali. Questa implementazione oltre lo stato dell'arte porterà il sistema a una posizione di leadership mondiale tra i sistemi XPCI compatti. Le tecniche proposte miglioreranno le capacità di discriminazione dei tessuti molli rispetto alla μCT da tavolo attualmente disponibile dedicata all'imaging 3D non distruttivo di campioni biologici. Le applicazioni target che guidano questa iniziativa sono nei settori della (i) caratterizzazione di impalcature stampate in 3D per la rigenerazione del tessuto osteocondrale e (ii) studio dello sviluppo delle malattie osteoarticolari attraverso agenti di contrasto cationici innovativi che contrassegnano le strutture della cartilagine. L'obiettivo finale del progetto è ottenere risultati di alta qualità con un unico dispositivo da laboratorio economico, compatto e non distruttivo che aggiunga o sia informativo come quelli ottenuti con tecniche laboriose/distruttive (ad esempio, istologia, TEM, SEM).

This research proposal aims at developing innovative imaging protocols delivering X-ray spectral phase-contrast 3D images at the micrometer scale of soft tissue samples on the centimeter scale. The project builds on a compact micro-computed tomography (μCT) system available in Trieste leveraging on a unique integration of two enabling technologies: a chromatic X-ray detector and the edge-illumination phase-contrast technique. Each of the two innovative technologies guarantees substantial advantages compared to conventional X-ray imaging. Chromatic detectors allow for X-ray spectral imaging (XSI), thus generating material-specific quantitative maps. Edge-illumination (EI) phase-contrast imaging (XPCI) allows for the extraction of phase-shift and dark-field signals, corresponding to enhanced visibility of soft tissues and highly-granular structures. The laboratory system was initially developed pursuing maximum flexibility, enabling multi-modal and multi-scale imaging in a wide energy range (40 - 100 kV). This project will specialize the setup, targeting maximum performance in spectral, phase, and dark-field signal sensitivity at a virtual histology-compatible spatial resolution (⪅10 μm). The target will be reached by developing imaging protocols in each of the following modalities: 1. Spectral CT, performing single-shot acquisitions by setting the two chromatic detector thresholds, yielding, e.g., iodine-base contrast-agent 3D maps at resolutions from 20 to 50 μm with fields-of-view (FOVs) from 1.5 to 4 cm. 2. Phase-contrast Dark-field CT, through EI, yielding phase and dark-field maps at a tunable resolution from 5 to 50 μm and 2 cm FOV. 3. Hybrid Spectral - Phase-Contrast CT, by operating the detector in two thresholds mode and acquiring EI images, delivering combined spectral and phase material decomposition. Additionally, a next-generation fully-spectral detector - Timepix4 - will be integrated into the system. This will enable the implementation of an innovative, simpler, and scalable XPCI geometry (beam-tracking), also allowing post-acquisition energy binning and improving spectral performance. This beyond-state-of-the-art implementation will bring the setup to a world-leading position among compact XPCI systems. The proposed techniques will improve soft-tissue discrimination capabilities compared to state-of-the-art table-top μCT dedicated to non-destructive 3D imaging of biological samples. The target applications driving this initiative are in the fields of (i) characterization of 3D-printed scaffolds for osteochondral tissue regeneration and (ii) study of osteoarticular disease development through innovative cationic contrast agents labeling cartilage structures. The project's ultimate goal is to obtain high-quality results with a single, cheap, compact, and non-destructive lab device adding to, or as informative as, those obtained with time-consuming/destructive techniques (e.g., histology, TEM, SEM).