Experimental Demonstration of Soft-Tissue Muon Scattering Tomography

Al bijna een eeuw lang zijn natuurkundigen gefascineerd door de muon, een subatomair deeltje dat vanuit de ruimte op de Aarde neerdaalt. De muon, die in de jaren 30 binnen de kosmische straling werd ontdekt, is een zware neef van het elektron en is ongeveer tweehonderd keer massiever. Dit extra gewicht geeft het een uniek vermogen: het kan dikke lagen materie doorboren die andere deeltjes in hun spoor zouden stoppen. Terwijl elektronen snel energie verliezen en worden geabsorbeerd, kunnen muons diep in bergen, vulkanen en zelfs de kernen van oude piramides reizen. Wetenschappers gebruiken deze penetrerende kracht al lang om afbeeldingen van verborgen structuren te maken, een techniek die bekend staat als muografie. Door te meten hoeveel muons worden gestopt door een object, kunnen onderzoekers de dichtheid ervan in kaart brengen, waardoor lege ruimtes in een vulkaan of verborgen kamers in een piramide zichtbaar worden.

Er is echter een tweede manier om deze deeltjes te gebruiken, die niet rust op hoe vaak ze stoppen, maar op hoe ze stuiteren. Terwijl een muon door materie beweegt, botst hij af en toe tegen atoomkernen aan en verandert hij enigszins van richting. Dit fenomeen, genaamd meervoudige verstrooiing, is prominenter aanwezig in dichte materialen. Decennialang hebben wetenschappers dit "stuiterende" effect gebruikt om lading te inspecteren op verborgen nucleaire materialen, waarbij de zware atomen significante afbuigingen veroorzaken. Maar een nieuwe vraag bleef hangen: zou deze techniek ook werken op zacht, biologisch weefsel? In tegen tegenstelling tot de zware atomen in nucleaire brandstof of het gesteente van een berg, bestaat menselijk weefsel uit lichte elementen die een passerende muon nauwelijks een zetje geven. De resulterende afbuigingen zijn minuscuul, wat de vraag opriep of het signaal ooit sterk genoeg zou zijn om een duidelijk beeld van het menselijk lichaam te vormen.

Een team van onderzoekers heeft nu antwoord gegeven op deze vraag met een direct experiment. Werkend bij de CERN Proton Synchrotron in Zwitserland, slaagden zij erin een model van een menselijke borstkas in beeld te brengen met behulp van een bundel hoogenergetische muons. Hun doel was om te zien of ze een driedimensionale kaart van zacht weefsel konden reconstrueren door de minuscule veranderingen in het pad van individuele muons te volgen. Ze gebruikten een plastic model van een menselijke thorax, een zogenaamde antropomorfe fantoom, die materialen bevat die de dichtheid van menselijk spierweefsel, bot en longen nabootsen. Dit model werd geplaatst in een bundel van muons die met een impuls van 2 GeV/c reisden. Om de gegevens te verzamelen, stelde het team vier gevoelige detectoren op, twee vóór het model en twee ernaast, om het exacte pad van elke muon vast te leggen terwijl deze het object binnenkwam en verliet.

Het experiment omvatte het roteren van het model over zeven verschillende hoeken, waardoor de muonbundel vanuit diverse richtingen door de fantoom kon passeren. Terwijl elke muon door de fantoom reisde, maten de detectoren hoeveel het pad was verschoven. Omdat het weefsel zo zacht is, waren deze verschuivingen ongelooflijk klein, begraven in een zee van statistische ruis. Om dit te begrijpen, gebruikten de onderzoekers eerst een standaard wiskundige methode om een ruwe, ruizige 3D-kaart van de verstrooiingsdichtheid te maken. Deze initiële kaart was te korrelig om op zichzelf nuttig te zijn. Om deze op te schonen, pasten ze een geavanceerd computerprogramma toe, een type kunstmatige intelligentie bekend als een neuraal netwerk. Dit netwerk was uitsluitend getraind op miljoenen gesimuleerde muonbanen die door virtuele versies van dezelfde fantoom gingen. Door te leren hoe een correct beeld eruit zou zien, kon de computer de ruis uit de echte experimentele gegevens verwijderen en de onderliggende structuur onthullen.

De resultaten waren een succes. De gereconstrueerde afbeelding toonde een uniform gebied van zacht weefsel in het midden van de fantoom, precies waar de hersen en de omliggende organen zich bevinden. De gemeten dichtheid in dit centrale gebied kwam overeen met de verwachte waarde van de computersimulaties tot minder dan één procent. Deze overeenkomst bewees dat de techniek de verstrooiingseigenschappen van zacht weefsel nauwkeurig kan meten, ondanks de extreem zwakke signalen. De onderzoekers keken ook naar de randen van het model, waar de ribben en de wervelkolom zich bevinden. Hoewel deze botstructuren niet vanuit elke hoek volledig door de bundel werden gescand, verschenen ze nog steeds in de afbeelding op ongeveer hun juiste posities en met een dichtheid die dicht bij die van echt bot lag. Dit toonde aan dat de methode in staat is om tussen verschillende soorten weefsel te onderscheiden, zelfs wanneer de gegevens incompleet zijn.

De studie adresseerde ook de praktische zorgen over het gebruik van een dergelijke krachtige deeltjesbundel op een menselijk lichaam. De onderzoekers berekenden de hoeveelheid straling die een persoon zou ontvangen tijdens een vergelijkbare scan. Ze stelden vast dat de energie die door de muons wordt afgezet extreem laag is. In het volledig gesamplede deel van hun experiment was de dosis slechts ongeveer 2 microsieverts. Om dit in perspectief te plaatsen: een standaard röntgenfoto van de borstkas levert een dosis die ongeveer vijftig keer hoger is, en een typische CT-scan is honderden malen hoger. Dit suggereert dat als deze technologie ooit voor medisch gebruik zou worden aangepast, het gedetailleerde interne beelden zou kunnen bieden met een stralingsbelasting die veel lager is dan die van de huidige methoden.

Hoewel het experiment een bewijs van concept was met behulp van een model en een gespecialiseerde deeltjesversneller, opent het een nieuwe deur voor medische beeldvorming. De onderzoekers hebben aangetoond dat de zwakke verstrooiing van zacht weefsel niet te zwak is om te meten, mits men voldoende muons en de juiste instrumenten heeft om de gegevens te interpreteren. Het werk bevestigt dat muonverstrooiingstomatografie kan worden uitgebreid van haar traditionele gebruik voor zware materialen naar het domein van de biologie. Hoewel de huidige opstelling een grote versneller en een specifieke bundel vereist, leggen de hier gedemonstreerde principes de basis voor toekomstige ontwikkelingen. Naarmate er nieuwe, compactere bronnen van muons worden ontwikkeld, zou deze techniek uiteindelijk een manier kunnen bieden om in het menselijk lichaam te kijken met ongekende helderheid en minimale stralingsblootstelling.