ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 543
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ДВУМЕРНАЯ ЦИФРОВАЯ ДЕНСИТОМЕТРИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ СЕРИИ АВТОРАДИОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
© 2015 г. В. П. Колотов*, 1, Д. С. Гроздов*, Н. Н. Догадкин*, А. А. Ширяев**, В. И. Коробков***
*Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук
119991 Москва, ул. Косыгина, 19 1Е-таИ: kolotov@geokhi.ru **Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук 119071 Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4 ***Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1 Поступила в редакцию 23.04.2014 г., после доработки 06.10.2014 г.
Ранее нами показано, что математическая попиксельная обработка серии авторадиографических изображений активированных образцов позволяет получить информацию о распределении элементов в геохимических образцах, включая образцы большого размера. При этом уровень воспроизводимости двумерной денситометрии является ключевым фактором, определяющим результативность такой обработки. Разработана методика получения серии цифровых авторадиограмм как с использованием классических ядерных фотодетекторов, так и цифровых визуализирующих пластин, обеспечивающая воспроизводимость результатов количественной денситометрии менее 2%. Полученные результаты по картированию хорошо согласуются с данными метода сканирующей электронной микроскопии.
Ключевые слова: цифровая гамма-активационная авторадиография, обработка серии изображений, воспроизводимость результатов количественной денситометрии, визуализирующие пластины, скрининговый анализ.
Б01: 10.7868/8004445021503010Х
Авторадиография — метод изучения распределения радиоактивных атомов элемента в поверхностном слое образца. Традиционно метод применяют для исследования локальной химической неоднородности образцов [1, 2]. Авторадиография получила бурное развитие благодаря достижениям физики в середине прошлого века, и до 80-х годов различные варианты метода играли главенствующую роль в исследовании распределения радионуклидов и элементов в различных природных и технологических образцах. В качестве детекторов ионизирующего излучения в авторадиографии применяют в основном ядерные фотоэмульсии и твердотельные трековые детекторы. Использование различных авторадиографических фотодетекторов описано в работах [1, 3—5]. В последнее время усиливаются позиции цифровых вариантов радиографии [6, 7]. Поскольку большинство элементов не имеют природных радиоизотопов, то для их определения необходимо либо вводить радиоизотопную метку, либо активировать элементы ядерным излучением. Ранее показано [8], что гамма-активационная авторадиография позволя-
ет определять микровключения благородных элементов в аншлифах геологических образцов. Более того, метод позволяет анализировать образцы большого размера [9], что делает возможным проведение скринингового анализа для обнаружения микровключений элементов или исследования минералогической текстуры образца. Развитие в последние десятилетия средств программирования позволило раскрыть новые возможности метода за счет обработки изображений. Показано, что использование попиксельной компьютерной обработки серии авторадиограмм [10], полученных при различной продолжительности выдержки образца после облучения, позволяет повысить селективность цифровой гамма-активационной авторадиографии посредством анализа динамики распада радионуклидов. Для получения приемлемых результатов количественной обработки серии авторадиограмм воспроизводимость денситомет-рии отдельных авторадиограмм серии должна быть относительно высокой (на уровне нескольких процентов). В противном случае получение детальных карт радионуклидов вряд ли возможно.
Таблица1. Характеристика используемых плоских тонких радиоактивных образцов для изучения воспроизводимости денситометрии при различных условиях обработки
Образец Активность, кБк Площадь, см2 Удельная активность, кБк/см2
№ 1 11 0.64 17.19
№ 2 2.8 0.64 4.38
№ 3 83.9 9.5 8.83
В настоящее время цифровые авторадиограммы можно получать двумя способами: либо с использованием классических ядерных фотодетекторов с последующей оцифровкой изображений с помощью высокоразрешающих сканеров, либо с использованием прямой цифровой авторадиографии на основе визуализирующих пластин (imaging plate).
Цель работы — разработка методики получения авторадиограмм, обеспечивающей высокую воспроизводимость денситометрии, оценка результатов компьютерной обработки серии цифровых авторадиограмм и исследование возможности применения цифровых визуализирующих пластин для авторадиографии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы. Для гамма-активационной авторадиографии использовали аншлифы медно-нике-левых полиметаллических руд Норильского месторождения сложного состава. Серии авторадиографических изображений обрабатывали, а также генерировали метаизображения с использованием программного обеспечения Img_mapping [11, 12]. Для изучения воспроизводимости результатов количественной 2D денситометрии было подготовлено 3 образца с различной активностью 137Cs на 1 см2 поверхности (табл. 1). Поверхность образцов защищали самоклеющейся пленкой толщиной 40 мкм. Анализ авторадиографических изображений показал, что распределение 137Cs по поверхности образцов № 1, № 2 и № 3 практически равномерно.
Облучение образцов. Аншлифы образцов полиметаллической руды облучали на микротроне ИМЕТ РАН (средний ток 2.5—5 мкА, максимальная энергия тормозного рентгеновского излучения 22 МэВ). Длительность облучения составляла 20—60 мин. Расстояние от вольфрамового конвертора до образцов составляло 5—10 см. Для обеспечения равномерного облучения поверхности аншлифа его перемещали в поле тормозного излучения с использованием разработанного устройства [10].
Таблица 2. Среднее значение оптической плотности при различной продолжительности экспонирования фотодетектора
Продолжительность
Образец экспонирования, мин
20 10
№ 1 0.46 ± 0.11 0.34 ± 0.02
№ 2 0.20 ± 0.02 0.11 ± 0.01
Получение и оцифровка авторадиограмм. В качестве фотодетектора для авторадиографии использовали пленки Bio Max MR Film (Kodak). Размер фотодетектора 10 x 15 см. Для оцифровки авторадиограмм использовали слайд-сканер CanoScan 8800F с оптическим разрешением 4800 dpi. Градуи-ровочную зависимость отклика сканера от оптической плотности получали с использованием стандартной пленки Kodak Q-60 [8]. Результаты цифровой авторадиографии с использованием ядерных фотодетекторов сравнивали с результатами прямой цифровой авторадиографии на основе визуализирующих пластин PerkinElmer (Cyclone Plus Storage Phosphor System) [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Воспроизводимость результатов количественной денситометрии. Фотодетекторы многократно экспонировали в течение 20 и 10 мин с использованием радиоактивных образцов № 1 и № 2. Каждый фотодетектор проявляли сразу после экспонирования с использованием свежего проявителя рекомендованного состава при строго соблюдаемых условиях (температура и технология проявления). Получено две серии авторадиограмм, состоящие из 10 изображений для 20-минутного и 9 изображений для 10-минутного экспонирования.
Изображения были оцифрованы, после чего определена оптическая плотность для каждого образца, включая вычитание фона (вуали и подложки фотодетектора). Результаты статистической обработки полученных данных приведены в табл. 2. Воспроизводимость определения оптической плотности изображения авторадиограммы образца № 2 составила около 10% как для 10-минутного, так и для 20-минутного экспонирования. Воспроизводимость определения оптической плотности авторадиограмм образца № 1 составляет 6% для 10-минутного и 24% для 20-минутного экспонирования. Отношение оптических плотностей, приведенных к единице времени, для каждого образца должно быть одинаковым и равно 1, тогда как оно составляет 0.68 и 0.91 для образцов № 1 и № 2 соответственно.
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ДВУМЕРНАЯ ЦИФРОВАЯ ДЕНСИТОМЕТРИЯ
269
Таким образом, эксперименты по определению воспроизводимости результатов денсито-метрии при последовательной обработке детекторов (фотодетектор проявляется сразу же после экспонирования) дали неудовлетворительные результаты. Было выдвинуто предположение, что небольшие различия в условиях проявления фотодетекторов могут заметно сказаться на результатах денситометрии, несмотря на выполнение всех рекомендаций производителя в процессе проявления фотодетектора. Для подтверждения этого предположения проведена другая серия экспериментов. В этой серии сначала последовательно экспонировали десять фотодетекторов образцом 137Сб (№ 3) в течение 80 мин без проявления скрытого изображения после каждого экспонирования. Далее все фотодетекторы проявляли одновременно в специально подготовленной кювете без перемешивания растворов при проявлении. Результаты денситометрии полученных изображений авторадиограмм показали, что воспроизводимость результатов существенно улучшилась: для среднего значения оптической плотности 0.42 относительное стандартное отклонение не превышает 0.02. Сделан вывод, что для получения серии авторадиограмм, пригодных для количественной денситометрии, необходимо проявлять все авторадиограммы одновременно в одной кювете без перемешивания растворов при проявлении.
Компьютерная обработка серии авторадиографических изображений. Для проверки справедливости этого заключения проведена гамма-активация ан-шлифа медно-никелевой полиметаллической руды Норильского месторождения сложного состава, после чего получена серия авторадиограмм этого образца для разных интервалов его выдержки с использованием как последовательного, так и одновременного проявления авторадиограмм серии. Методология анализа серии авторадиограмм основана на том, что при выдержке образца наведенные радионуклиды распадаются в соответствии со своим периодом полураспада, а компьютерный анализ кривой распада для каждого пикселя серии соосных изображений позволяет оценить его значение. Для 2—3-компонентных смесей имеется возможность идентификации компонентов по периоду полураспада [11]. Полученные результаты по карти
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.