МиИротомография — взгляд в невидимое
2»14
В.Е.Асадчиков, А.В.Бузмаков, Д.А.Золотов, И.В.Якимчук
Рентгеновская компьютерная томография сейчас — один из основных диагностических методов в медицинских исследованиях. Его принцип — получать пространственную информацию о структуре из послойных рентгеновских снимков объекта. «Послойность» изображений достигается съемкой при различных углах падения зондирующего излучения. Луч каждый раз проходит свой путь в объеме вещества и поглощается по-разному (это так называемая абсорбционная томография). Но кроме традиционных приложений (где мы вышли на разрешение ~1 мкм) использовать технику рентгеновской микротомографии можно и для исследования кристаллов и изогнутых поверхностей.
Какими лучами смотреть
Для проведения томографических исследований важно правильно выбрать характеристики применяемого в экспериментах рентгеновского излучения. Они должны быть таковы, чтобы с одной стороны, объект с размерами 0.001 — 10 мм не стал для лучей совершенно непрозрачным, а с другой — поглощение в образце было все же существенным даже для таких мягких биологических тканей, как эпителиальные покровы. Например,
Виктор Евгеньевич Асадчиков, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией рефлек-тометрии и малоуглового рассеяния Института кристаллографии им.А.В.Шуб-никова РАН. Сфера научных интересов — процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом.
Алексей Владимирович Бузмаков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Специалист в области цифровой обработки экспериментальных данных и параллельных вычислений.
Денис Александрович Золотов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Занимается развитием методов рентгеновской абсорбционной томографии и топо-томографии.
Иван Викторович Якимчук, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник той же лаборатории. Работы связаны с рентгеновской оптикой и эффектом полного внешнего отражения рентгеновского излучения.
© Асадчиков В.Е., Бузмаков А.В., Золотов Д.А., Якимчук И.В., 2014
показатель поглощения белка для фотонов с энергией Е = 8 кэВ (X = 1.5 А) — порядка 1 мм-1. Следовательно, излучение с такой энергией хорошо подходит для исследования биообъектов размером в несколько миллиметров.
Оптимальной для исследования биологических объектов размером 1 — 10 мм можно считать область, где контраст, определяемый как отношение поглощения рентгеновских лучей образцом и окружающей средой (водой), равен 0.2—0.8. Этому условию как раз и соответствует излучение с длинами волн 1.5—4.0 А. Разумным представляется использование максимально длинноволнового излучения, для которого, однако, объект еще остается прозрачным [1].
Отметим, что в современных медицинских и лабораторных томографах* используется жесткое тормозное рентгеновское излучение (максимум интенсивности на длине волны ~0.2 А) с широким спектральным распределением. Применение столь коротковолнового излучения обусловлено тем, что оно слабо взаимодействует с биологическим объектом и потому относительно безопасно. Но по той же причине контраст между биологическими тканями различного типа мал. Следует также подчеркнуть, что и само значение коэффициента линейного ослабления для этих тканей не удается восстановить, поскольку волны разной длины в широком спектре зондирующих лучей ослабляются по-разному.
Применение немонохроматического излучения с очень короткой длиной волны безусловно оправдано в дефектоскопии неорганических материалов, которая имеет дело с неоднород-ностями сантиметрового масштаба. Если же размеры таких объектов порядка миллиметра или изучаются органические (и, в частности, биологические) объекты больших размеров, использование подобного рентгеновского излучения с широким энергетическим спектром оказывается, на наш взгляд, в большинстве случаев недостаточно информативным. Неслучайно в конструкцию прибора довольно часто вводят фильтры/монохро-маторы (отсекают длинноволновую часть спектра).
Подробно прочесть о преимуществах монохроматических рентгеновских лучей в указанном диапазоне длин волн для рентгеновской томографии можно в статье [1].
Томография на лабораторном столе
В самых общих чертах схему рентгеновского томографа можно представить так: источник излучения, объект исследования, детектор (рис.1). Современный прибор немыслим без управляющего компьютера, который конечно же, должен быть снабжен программой обработки экспериментальных данных [2]. Мы будем говорить о лабораторных рентгеновских томографах, в которых источник и детектор неподвижны, излучение монохро-матизированно, а набор проекций получают вращением образца.
В нашей лаборатории рефлектометрии и малоуглового рассеяния ИК РАН был сконструирован и испытан комплекс лабораторных рентгеновских микротомографов. В первом приборе на базе созданного ранее дифрактометра ДРШ [3] использовался монохроматор из монокристалла кремния — отражающая плоскость (220). Данный дифракто-метр работает при горизонтальном расположении образца, и ось вращения монохроматора лежит в горизонтальной плоскости. Образец размещается на гониометре, ось которого, наоборот, вертикальна. Прибор оборудован одномерным газоразрядным позиционно-чувствительным детектором, размер чувствительной области которого составляет 100 мм, а разрешение — около 0.15 мм.
Для оценки пространственной чувствительности метода и прибора была получена томограмма
" Ьир:// www.skyscan.be
Рис.1. Схема микротомографа на базе дифрактометра ДРШ в разных вариантах. 1 — рентгеновская трубка, 2 — блок кристалла-монохроматора, 3 — исследуемый объект на гониометрическом столике, 4 — линейный позиционно-чувстви-тельный детектор. В усовершенствованном варианте прибора детектором служит ПЗС-матрица (5). Для повышения разрешения можно использовать многоэлементную рентгеновскую линзу, помещаемую вместе с диафрагмой между образцом и детектором (показаны снизу — б, 7). В одной из модификаций установки монохроматорами служат ассиметрично срезанные кристаллы (8, 9).
Рис.2. Реконструкция плотности бумажного уголка.
бумажного уголка, смотрящего торцом на источник (рис.2). Толщина листа бумаги как раз сравнима с разрешением использованного нами детектора (~ 100 мкм). Независимо был измерен коэффициент линейного поглощения листа бумаги: 20 слоев бумаги помещались перед детектором, и измерялся коэффициент ослабления для такой структуры. Измерения показали, что для линии К« молибдена ослабление составляет величину 15%. Соответственно, ослабление одним слоем бумаги происходит всего на 0.9%. Тем не менее эксперименты продемонстрировали, что нам удается реконструировать даже такой тонкий и слабопогло-щающий объект (ниже будет приведена реконструкция трехмерной структуры уголка, выполненная на другом приборе).
Для оценки среднеквадратичного отклонения при определении поглощающей плотности, измеряемой нашим томографом, мы исследовали заведомо однородный по плотности предмет — пробирку с водой. Это классический тест-объект, применяемый при калибровке медицинских томографов [4]. Вращая пробирку, мы получаем разные проекции и по ним восстанавливаем ее поперечное сечение (вдоль хода лучей). При проведении данных экспериментов интенсивность в прямом пучке составляла 4000 импульсов в пиксель для каждой проекции, использовались 72 проекции, отличающиеся друг от друга поворотом образца на 2.5°. Сечение пробирки, а также график, который показывает число пикселей, имеющих различную плотность внутри пробирки, представлены на рис.3. Из анализа этого распределения следует, что точность определения плотности элементов на реконструкции порядка 10% вполне достаточна для большинства экспериментальных исследований. Если необходимо повысить точность, нужно увеличивать экспозицию.
После апробации метода рентгеновской микротомографии в лабораторных условиях мы разработали новый прибор [5], который вместо линейного детектора был оснащен двумерным — ПЗС-матри-цей (см. рис.1). Излучение на этот раз монохрома-тизировалось пиролитическим графитом.
Использование двумерного детектора позволило не только улучшить разрешение до 13 мкм (размер чувствительного элемента ПЗС-детекто-ра), но и существенно сократить время проведения экспериментов. Дело в том, что линейный детектор сканирует объект строчка за строчкой, а двумерный детектор дает всю картину одновре-
5
0.007
рентгенооптическая плотность, мм"1
0.013
Рис.3. Реконструкция поперечного сечения полиэтиленовой пробирки, заполненной водой (значение коэффициента поглощения в мм-1 при энергии линии МоКа, а); распределение рентгенооптической плотности воды по пикселям, соответствующее реконструкции объекта (б).
Рис.4. Трехмерная реконструкция бумажного уголка и одно из его поперечных сечений.
менно. На рис.4 показана восстановленная структура бумажного уголка. На реконструкции хорошо видна продавленная карандашом окружность. Это говорит о хорошей пространственной чувствительности метода.
Геккон и светодиод в подробностях
Таким способом мы исследовали большое количество объектов органического происхождения. Приведем пример одного из них. Были изучены элементы опорно-двигательного аппарата гекконов РасЪуйасгу1ш Штвп (рис.5), причем один из гекконов побывал в невесомости на биоспутнике «Фотон-2М». Характерные размеры частей таких образцов не превышают нескольких десятков микрометров (что приближается к разрешению детектора). Напомним, что в живых организмах скелет представляет собой постоянно обновляющийся орган, а не мертвую структуру (кальциевый матрикс). Кость состоит из костных кле-
Рис.5. Внешний вид геккона РасЬуёасЬу1и$ Шпвп.
ток — остеоцитов, которые обеспечивают ее рост и постоянное замещение атомов кальция. Ранее многолетние эксперименты с различными организмами показали [6], что в условиях невесомости происходит стабильная деминерализация скелета. Сейчас активно изучается роль реакции опоры в этом процессе. Предполагается, что, если элементы опорно-двигательного аппарата испытывают нагрузку, деминерализация не наступает или про
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.