Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Развитие метода рентгеновской рефракционной радиографии для исследования биологических и медицинских объектов

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Развитие метода рентгеновской рефракционной радиографии для исследования биологических и медицинских объектов"

На правах рукописи

МАНУШКИН Алексей Анатольевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДА РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФРАКЦИОННОЙ РАДИОГРАФИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ОБЪЕКТОВ

03.00.02 -биофизика Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пущино-2006

Работа выполнена в Институте сверхпроводимости и физики твердого тела Российского научного центра "Курчатовский институт".

Официальные оппоненты:

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

Подурец Константин Михайлович; кандидат физико-математических наук, Вазина Альвина Андреевна; доктор биологических наук, Леднев Валерий Васильевич;

доктор физико-математических наук, профессор,

Бушуев Владимир Алексеевич.

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

Защита диссертации состоится " 1'6 " г. в " " часов

на заседании диссертационного совета Д 002.^93.01 при Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН, адрес 142290, г. Пущино Московской обл., ул. Институтская, 3, ИТЭБ РАН

Ведущая организация:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭБ РАН

Автореферат разослан " •/¿Г" М^- 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

//¿¿¿1Ч(-

Ланина Н.Ф.

I. Общая характеристика работы Актуальность.

В последнее время интенсивно развиваются неабсорбционные методы рентгеновской и нейтронной радиографии, основанные на преломлении лучей на неоднородностях объекта.

Первые эксперименты, выполненные на рентгеновских и нейтронных источниках, показали, что при угловом разделении падающего и преломленного излучения в условиях высокого углового разрешения, изображения слабопоглощающих объектов характеризуются краевым контрастом, который значительно превышает абсорбционный. В связи с этим возникла идея использования рефракции для исследования

биологических объектов и медицинской диагностики.

Метод получения изображений слабопоглощающих объектов, основанный на разделении падающего и преломленного излучения получил название метода рефракционной радиографии. В этом методе посредством углового анализатора преломление рентгеновских лучей на неоднородностях объекта, отображается в изменении интенсивности в соответствующих им точках рентгенографического изображения.

До начала проведения наших исследований (середина 90-х годов) рефракционные радиографические изображения получали в условиях, когда характерная величина преломления в которых составляла несколько секунд. Для объектов реальной медицинской диагностики и других биологических объектов аналогичных линейных размеров требуется просвечивание тканей большой толщины жестким рентгеновским излучением с энергией квантов 20 - 60 кэВ. Особенностью взаимодействия такого излучения с биологическими объектами является то, что характерные углы отклонения излучения в них составляют десятые и сотые доли угловой секунды, и поэтому необходимо использовать соответствующую угловую

коллимацию. При формировании краевого контраста рефракционного изображения определяющими являются дифракционные эффекты, связанные с волновыми свойствами рентгеновского излучения. Поэтому наряду с развитием экспериментальной техники рефракционной радиографии с субсекундным угловым разрешением потребовалось развитие теоретического описания в рамках волновой оптики.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное развитие метода рентгеновской рефракционной радиографии применительно к исследованию биологических объектов и медицинской диагностике.

Объектом исследования является рентгеновская рефракционная радиография медико-биологических объектов.

Предметом исследования являются закономерности формирования рентгеновского рефракционного изображения макроструктуры медико-биологического объектов в условиях субсекундного углового разрешения.

Научная новизна.

1. Развито теоретическое описание формирования

краевого рефракционного контраста биологическихо объектов, учитывающее волновую природу рентгеновского излучения.

2. Исследованы особенности формирования

рефракционных изображений биологических объектов со сложной морфологией.

3. Разработаны методики получения рефракционных

радиограмм биологических объектов с субсекундным угловым разрешением с использованием характеристического излучения лабораторных источников и синхротронного излучения в диапазоне энергий 17- 40 кэВ.

4. Теоретически и экспериментально обоснована возможность использования рефракционной радиографии для малодозовой медицинской

диагностики и ее реализации на Курчатовском источнике синхротронного излучения.

Практическая значимость работы. Развитые в работе методы рентгеновской рефракционной радиографии с субсекундным угловым разрешением открывают новые возможности для исследования внутренней структуры биологических объектов и малодозовой медицинской диагностики.

Методическая разработка рефракционного метода была использована при создании станции неабсорбционной диагностики "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучения.

На защиту выносятся:

1. Концепция волнового описания формирования краевого рефракционного контраста основанная на использовании соотношения неопределенности. Критерий применимости геометрической оптики. Формулы для величины и ширины области краевого контраста в области предельных возможностей рефракционной радиографии.

2. Рефракционные радиограммы модельных и биологических объектов.

3. Результаты ' исследования углового уширения рентгеновского пучка в различных тканях. Модельные расчеты уровня структурного фона для объектов со сложной морфологией.

4. Результаты расчета дозовой нагрузки и времени экспозиции для рефракционной маммографии на Курчатовском источнике СИ.

5. Методики получения рефракционных радиограмм медико-биологических объектов с использованием характеристического излучения рентгеновских трубок и синхротронного излучения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на многих отечественных и международных конференциях, в том числе

на Европейских кристаллографических конференциях (Москва, 1989, 1995),

на Международных конференциях по синхротронному излучению (Новосибирск,, 1990, 1996, 1998, 2002), XV международном совещании по использованию рассеяния нейтронов в физике твердого тела (Заречный, 1997), Международном совещании "Интерференционные явления в рассеянии рентгеновских лучей" (Москва, 1995), 2-ом Европейском симпозиуме "Рентгеновская топография и дифракция высокого разрешения" (Берлин, 1994), Международном научном семинаре «Современные методы анализа дифракционных данных» (Москва, 2002) Национальных совещаниях по рентгеновской оптике (Нижний Новгород ( 2003,2004),

IV Национальной конференции по применению Рентгеновского, Синхротронного излучения, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2003), ХЫИ научной конференции Московского физико-технического института, (Москва, 1999), ежегодных конференциях Института сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ КИ (1993 - 2004). Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, список которых приведен ниже.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, основные результаты и выводы, список основных работ по теме диссертации, два приложения и список литературы. Объем работы составляет 140 страниц печатного текста, 35 рисунков и 3 таблицы.

И. Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы решаемые задачи и изложена логика построения диссертации.

В первой главе изложены основные принципы рефракционной радиографии. Дано описание двухкристального способа получения рефракционных изображений. В рамках геометрической оптики рассмотрено формирование рефракционного контраста. Представлены основные соотношения, которые устанавливают зависимость контраста от параметров рентгенооптической схемы, геометрических размеров объекта и его электронной плотности.

Применительно к рефракционному исследованию биологических объектов было показано, что для разделения падающего пучка и пучка, преломленного на границе раздела тканей с воздухом, необходимо угловое разрешение порядка угловой секунды, а для границ раздела мягких тканей соответствующая величина должна быть менее десятой доли угловой секунды.

Для обеспечения секундного и субсекундного углового разрешения была выбрана двухкристальная бездисперсионная рентгенооптическая схема,

характеризуемая равными брэгговскими углами отражения от коллиматора и анализатора. При их антипараллельном положении отражающих поверхностей кривая зависимости отражения второго кристалла от угловой отстройки от максимума отражения практически не зависит от ширины спектрального диапазона излучения. Вторая глава состоит из пяти частей.

В первой части описана лабораторная установка (Рис. 1) для рефракционной радиографии с использованием лабораторного рентгеновского источника на базе двухкристального топографического спектрометра. При создании этого прибора требовалось обеспечить субсекундную точность угловой настройки

рентгенооптической схемы и ее поддержание в процессе съемки, предусмотреть возможность съемки протяженных объектов в режиме сканирования, минимизировать влияние ' несовершенства рентгенооптических элементов на качество изображения.

Рис. 1. Схема со сканированием объекта в разрезном кристалле.

1 - рентгеновская трубка, 2 - щель монохроматора, 3 -разрезной кристалл, 4 - щель , 5 - образец, 6 - подвижная платформа для сканирования образца и пленки, 7 -фотопленка, 8 - телевизионный детектор (сцинтилляционный детектор), 9 - монитор (интенсиметр), 10 - компьютер , 11 - гониометрическая головка для наклона кристалла, 12 - гониометр, 13-устройство для коллимации и монохроматизации пучка.

Нами были разработаны оригинальные рентгенооптические схемы, представленные во второй части.

Проблема удержания рентгенооптических элементов в отражающем положении может быть решена при использовании разрезного кристалла, в прорези которого располагается объект. Для согласования перемещения

объекта и пленки в разрезном кристалле используется их перемещение вдоль прорези посредством на общей подвижной платформе.

Рис.2. Сканирование образца в схеме с раздельными кристаллами.

1 - источник излучения, 2-монохроматор, З-коллимирующая щель, 4-образец в контейнере с иммерсионной жидкостью, 5-разрезной кристалл-анализатор, 6-сканирующая топографическая приставка, 7- фотопластинка, 8-сцинтилляционный (Nal) или телевизионный детектор, 9-гониометр.

Схема с асимметричным отражением от наклонных отражающих плоскостей кристалла-монохроматора и двукратным отражением в разрезном анализаторе позволяет производить съемку протяженных объектов при различных углах разворота этих элементов (Рис.2) и при развороте на полуширину кривой качания характеризуется высокой чувствительностью к малым вариациям плотности в исследуемом объекте.

В третьей части и четвертой части второй главы возможности реализации двухкристальной рефракционной

радиографии с использованием излучения рентгеновских трубок были исследованы непосредственно на небольших модельных и биологических объектах. Были получены рефракционные изображения модельных объектов из органических материалов (полиэтилен, капрон), имитирующих реальные биологические объекты. Границы раздела воздуха с полиэтиленом (разница показателей преломления 5п=7,2-10~7) и полиэтилена с водой (5п=0,4-10"7), могут, соответственно, служить моделью внешней или внутренней поверхности полого или поверхности органа, заполненного жидкостью, например, кровеносного сосуда. Представленное изображение (Рис.3) демонстрирует характер изменения рефракционного контраста при уменьшении разницы плотности на границе раздела. Прежде всего, уменьшается ширина области рефракционного контраста, поэтому для наблюдения границ раздела с малой разницей в электронной плотности наряду с высоким угловым разрешением необходимо обеспечить и пространственное разрешение. Типичное время экспонирования небольших объектов в режиме фоторегистрации составляет несколько часов.

Рис.3. Рефракционная радиограмма полиэтиленового капилляра диаметром около 2 мм, частично заполненного водой

Съемка в отражении (511) излучения МоКа рентгеновской трубки при сканировании объекта в разрезном кристалле. Граница полиэтилена с водой указана стрелкой.

В пятой части второй главы изучен рефракционный способ аттестации рентгенооптических устройств с субсекундным угловым разрешением. Идея этого способа состоит в том, чтобы характеризовать двухкри стальную схему по распределению контраста рефракционного изображения тестового объекта. Преимущество этого способа состоит в том, что вместо механического углового сканирования используется рефракционный разворот пучка при его прохождении через тестовый объект с известными оптическими свойствами. Отсутствие необходимости учета конкретных механических свойств рентгенооптической системы делает этот способ более универсальным, простым и достаточно точным. Достигнутая точность измерения ширины отражения и угла разворота была не хуже, чем 0,01 угл. сек. •

В третьей главе исследованы предельные возможности рентгеновской рефракционной радиографии. Было показано, что предельные возможности рефракционного метода определяются волновой природой рентгеновского излучения.

Согласно принципу неопределенности, для излучения с длиной волны X величина пространственного разрешения и, соответственно, ширина области сильного краевого контраста не могут быть меньше величины, определяемой угловым разрешением со:

Л

50 = —. (1)

СО

При уменьшении разницы 6п показателей преломления объекта на границе с радиусом кривизны Я со средой область контраста уменьшается до величины Бо, определяемой формулой ( 1). В дальнейшем начинает уменьшаться не область контраста, а величина контраста. Для обеспечения контраста, близкого к 100%, необходимо,

чтобы ширина s области контраста, рассчитанная по следующей формуле геометрической оптики

г, т^ Sil2

s = SR—¡г- (2)

со '

превышала волновой предел. Отсюда следует условие применимости геометрической оптики :

8 R (Sn )2

---— > 1 . (з)

Хсо

С использованием последовательной волновой теории нами было получено простое выражение для краевого контраста, в случае, определяемым неравенством 8R5n2/A,co« 1, когда величина контраста мала :

К(а)= С xSn

f \ 1 / 2 ( R Л

У Лео D J

„ (ön У R

+ ........ m

Контраст рефракционных изображений подобных объектов слабо зависит от их размера, если не достигнут предел геометрической оптики. Однако, согласно выражению( 4), и в случае достижения этого предела рефракционный контраст на границе объекта должен слабее зависеть от размера, чем в абсорбционном случае, если используется схема с разворотом кристалла. Например, рефракционные изображения капроновых лесок диаметром 0,8 мм, 0,3 мм, и 0,15 мм в воде (Рис.4, а), показывают, что рефракционный контраст падает при уменьшении размера, оставаясь, однако, заметным (>10%) при самом малом размере. Корневая зависимость контраста от углового разрешения в схеме с разворотом кристалла дает возможность снизить требования к угловому разрешению рентгенооптической схемы, что можно проиллюстрировать сравнением изображений лесок в воде (рис. 4,6).

а) б)

Рис.4. Изображения капроновых лесок диаметром 0.8, 0.3, и 0,15 мм , погруженных в воду.

а). Е=17 кэВ, угловое разрешение 0,15 угл. сек.

б): Е=17 кэВ, угловое разрешение 0,6 угл. сек.

Рис. 5. Рефракционная рентгенограмма сердца крысы в иммерсионном растворе формамида.

Е=17 кэВ. Черными стрелками показаны границы внутренних полостей.

Рис.6. Рефракционные изображения модельных объектов кальцинированных выделений.

(размер 2x2 мм, толщина 0,05 и 0,15 мм ,состав - смесь клея ПВА с порошком мела).

На снимках а,б показаны изображения в " светлом поле", на снимке в - в "темном поле". На снимках (б, в) объект повернут.

В четвертой главе исследованы возможности рентгеновской рефракционной интроскопии биологических объектов непосредственно на самих объектах. На рефракционном изображении сердца крысы видны границы раздела внутренних полостей и жидкости, неразличимые при абсорбционном исследовании (Рис. 5). В зонах неоднородной структуры костей конечности крысы наблюдались признаки малоуглового контраста, указывающие на наличие мелких минеральных выделений. Эксперименты с моделями объектами кальцинированных выделений (Рис.6) показали, что скопления мелких минеральных выделений, невидимые на абсорбционном изображении, могут наблюдаться на рефракционных изображениях.

Таким образом, непосредственно на реальных биологических объектах было показано, что диапазон вариаций размеров (от нескольких сантиметров до долей миллиметра) и плотностей (от 1 до 0.1 г/см3) объектов, в котором осуществляется переход от сильного рефракционного контраста к слабому, является достаточно

широким, что позволяет получать изображения различных органов и тканей.

В пятой главе исследованы возможности применения рефракционной интроскопии в медицинской диагностике. Применительно к задачам диагностики заболеваний молочной железы нами были впервые получены рефракционные изображения маммографического фантома, используемого для тестирования коммерческих маммографов, работающих на абсорбционном механизме. Изображения (рис.7) нейлоновых (а,Ь,с) и кварцевых включений (р, о) наблюдались с высоким рефракционным контрастом, значительно превышающим абсорбционный. Обоснование возможности и необходимости использования в медицинской диагностике нового метода рентгеновской интроскопии требует количественной оценки качества получаемого изображения, степени лучевой нагрузки на пациента и времени экспозиции.

■V* Чн

4 'V*

1 ^

1

й г /\-> .* 'V / « ■ : :|

\......

' |У "*' ? * - *, Л- 4 О > -: ■■"о '

а б

Рис.7. Абсорбционное (а) и рефракционное (б) изображения маммографического фантома.

В Таблица 1 приведены результаты расчёта времени экспозиции и дозы облучения для рефракционной радиографии на Курчатовском источнике СИ. За модельный объект нами была взята синтетическая леска, имитирующая мягкотканевое новообразование.

Таблица 1. Параметры пучка СИ и рассчитанные характеристики экспозиции для выбранных значений

энергии излучения. Параметры источника СИ: Е—2,5 ГэВ, 1=100мА. Съёмка с симметричными отражениями 81(444) при развороте на полуширину кривой отражения. Объект: цилиндр диаметром 1 мм в 10 см толще воды. Разница коэффициентов преломления и поглощения материала цилиндра и воды - 10%, разрешение

Энергия (кэВ) 15 20 30 40 50

Цлина волны (нм) 0.08 2 0.062 0.0413 0.031 0.025

Угловое разрешение (угл.с.) 0.67 0.46 0.29 0.22 0.17

Контраст (%) 18 15 10.9 8.3 6.9

Время съемки (сек) 135 9.2-10"2 9.7-Ю-3 2.1-Ю'2 9.3-10"2

Доза (рад) 19 9.9-10"3 3.7-Ю-4 1.9-10"4 1.7-10"4

Абсорбционный случай

к,% 1.28 0.50 0.14 0.063 0.039

Доза (рад) 93 0.31 0.11 0.22 0.4

Приведенные расчеты показывают возможность осуществления малодозовой рефракционной медицинской интроскопии на Курчатовском источнике СИ. Результаты исследования рефракционной интроскопии биологических объектов небольшого размера не могут быть непосредственно распространены на медицинскую диагностику человека. В реальной медицинской диагностике, кроме деталей исследуемого объекта, представляющих непосредственный интерес, на качество изображений могут оказывать влияние мелкомасштабные детали (размером порядка 10-100 мкм), такие как мускульные волокна и пористость костей, которые могут вызывать угловое уширение пучка и формировать структурный фон. Основываясь на формуле (4) и полученных ранее изображений модельных объектов разумно предположить, что структурный фон может оказаться значительным, особенно при съемке с развернутым анализатором, дающей максимальный контраст. Влияние этих факторов ранее не исследовалось.

Угловое уширение пучка в мышечной ткани и костной ткани составляло значительную величину, соизмеримую с тем угловым разрешением, которое мы обычно использовали для получения рефракционных изображений объектов (табл.2).

Для исследования накопления фона с ростом толщины объекта выполнены численные расчеты с использованием динамической теории дифракции. Была рассмотрена модель полого органа, окруженного мышечной тканью (МТ). МТ имитировалась нерегулярно но плотно расположенными волокнами, диаметром от 50 до 100 мкм, погруженными в воду, при разнице электронной плотности с водой в 10%. Толщина МТ полагалась равной 4 см. В качестве модели полого органа рассматривалась трубка 1 мм диаметром с воздухом, погруженная в жидкость вместе с волокнами. Рассмотрение результатов численного моделирования

показывает наличие высокого уровня шума от мелкомасштабной структуры просвечиваемых тканей.

Таблица 2. Угловое уширение рентгеновского пучка в различных тканях человека

Образец Толщина полушири Уширение

образца на кривой

Без образца - 0.3 " 0

Мышечная 3 см 0.4-0.5" 0.1-0.2"

ткань

Ребро 5 мм 0.6-0.8" 0.3-0.5"

Селезенка 2 см <0.35 < 0.05"

Печень 2 см <0.35" < 0.05"

м

V'

Х,ппт

а

Рис. 8. Расчетные распределения контраста для модели полого органа , окруженного мышечной

тканью.

а-энергия излучения 20 кэВ, б- энергия излучения 60 кэВ

Для уменьшения структурного фона нами было предложено использовать более жесткое излучение. Сравнение

численных результатов (рис.8) показывает, что в рассматриваемом случае увеличение энергии радиации с 20 до 60 кэВ уменьшает структурный фон в несколько раз.

Последняя часть пятой главы посвящена экспериментальным исследованиям возможностей

реализации неабсорбционной медицинской диагностики на станции "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучения (СИ).

Схема экспериментальной установки (Рис. 9), для экспериментов на СИ аналогична той, что использовалась на лабораторном источнике, однако в случае СИ ее возможности оказались значительно шире. Использование асимметричной геометрии дифракции позволяет получить пучок большого поперечного сечения, в нашем случае максимальный размер составляет около 9х 3 см и определяется размерами кристаллов. Изображения регистрировали позиционно-чувствительным детектором с полем зрения 3Ох30мм, и пространственным разрешением ЗОмкм. Эксперименты с модельными и биологическими объектами показали, что созданная экспериментальная установка позволяет получать рефракционные радиограммы биологических объектов при времени экспозиции меньше 1 сек (рис.10).

Достигнутые параметры съемки позволяют проводить работы по малодозовой медицинской диагностике, например, маммографии.

Рис. 9 Экспериментальная установка, вид по направлению пучка СИ.

1,2- гониометрические головки, 3,4 - кристаллы, 5 -детектор.

Рис. 10. Рефракционное изображение живой лягушки в

дорсальной проекции.

Энергия излучения 20 кэВ. Время экспозиции 0,3 сек.

Основные результаты и выводы

1. Развиты экспериментальные методики получения рефракционных изображений медико-биологических объектов с использованием характеристического излучения рентгеновских трубок и синхротронного излучения. Предложены оригинальные рентгенооптические схемы, отличающиеся высокой угловой стабильностью и высокой чувствительностью к малым угловым отклонениям в субсекундном угловом диапазоне.

2. Развита волновая теория формирования краевого

контраста рефракционных изображений. С использованием универсального соотношения неопределенности сформулирован критерий применимости геометрической оптики. Получены простые аналитические выражения для описания краевого контраста в области предельных возможностей рефракционной радиографии.

3. Исследованы возможности рефракционной радиографии для исследования медико-биологических объектов. Показано, что в широком диапазоне вариаций плотностей и размеров рефракционные рентгенограммы внутренних полых органов, мягких тканей и костей биологических объектов характеризуются значительно большим контрастом и содержат больше видимых деталей изображения, чем абсорбционные.

4. Рассмотрена возможность использования рефракционного метода для целей медицинской диагностики. Рассчитанные экспозиционные дозы (<0,1) рад и времена экспозиции для маммографического фантома (<0,1 сек) показывают возможность реализации малодозовой медицинской диагностики на станции "Медиана" Курчатовского источника СИ.

5. Впервые исследованы особенности формирования рефракционного изображения для объектов большой толщины, характерных для медицинской диагностики. Показано, что при значительной толщине просвечивания мелкомасштабная структура тканей ухудшает угловое разрешение и создает на проекционном изображении структурный фон. С использованием волновой теории дано обоснование возможности уменьшения структурного фона, подтвержденное модельными расчетами.

Список основных работ по теме диссертации

[1] Манушкин A.A., Митрофанов H.JI, Подурец K.M., Соменков В.А., Шйлыптейн С.Ш. Рентгеновская рефракционная интроскопия биологических объектов Препринт ИАЭ- 5791/10. М, 1994.

[2] Шйлыптейн С.Ш, Соменков В.А., Манушкин A.A., Вазина A.A., Железная JI.A. " Изучение внутренней структуры биологических объектов с помощью рентгенрефракционной интроскопии" // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1997, №12, с.45-56.

[3] A.A. Манушкин, С.А. Щетинкин. Рефракционный способ аттестации кристалл-дифракционных рентгенооптических устройств с субсекундным угловым разрешением // Поверхностырентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2002 , №1 , с. 106.

[4] А.А.Манушкин, А. И. Ходеев, С.Ш. Шйлыптейн, A.A. ВазиНа, JI. А. Железная, Е.Г.Богданова. Исследование внутренней структуры мягких и костных тканей методом рентгеновской рефракционной интроскопии // Вестник рентгенологии и радиологии. 1998, №2, стр.32-37.

[5] V.S.Gerasimov, V.N. Komeev, G.N. Kulipanov, A.A. Manushkin, N.A. Mezentsev, V.F. Pindurin, P.M. Sergienko, V.A. Somenkov, M. A. Sheromov, S. Sh, Shilstein, A.A.

Vazina. "Search for biological objects by refraction radiography using synchrotron radiation of VEPP-3 storage ring" // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1998, A 405 , p.p.525-531.

[6] Артемьев A.H., Манушкин A.A., Недорезов В.Г., A.A. Туринге, С.Ш.Шильштейн. " Расчет дозы облучения для рефракционной интроскопии". Препринт ИАЭ- 6065/15. Москва, 1998.

[7] Маиушкин А.А., Подурец КМ., Щетинкин С.А. "Возможности рентгеновской рефракционной радиографии для исследования медицинских и биологических объектов со сложной морфологией"// Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. №2, 2003, с. 12-16.

[8] Шилыптейн С. Ш., Подурец К.М., Соменков В.А.., Манушкин А.А "Рефракционная интроскопия биологических объектов" // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1996, № 3-4, с.231-241.

[9] E.A.Beliaevskaya, M. Gambaccini, V.N. Ingal, A. A. Manushkin, F. Rustichelli, S.Sh.Shilstein, "X-ray imaging of a synthetic mammographie structure" // Physica Medica. 1997, Vol.XIV, №1, p.p. 19-23.

[10]. К.М.Подурец, Д.К.Погорелый, А.А.Манушкин, В.Г.Недорезов, В.А.Соменков, С.А.Щетинкин "Рефракционная интроскопия на станции "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучеиия" // Известия Академии наук; серия физическая. 2005, №2 с.196-198.

[11] К.М.Подурец, Д.К.Погорелый, А.А.Манушкин, В.Г.Недорезов, В.А.Соменков, С.А.Щетинкин, Рефракционная интроскопия для медицины и материаловедения на Курчатовском источнике синхротронного излучения // Нано - и микро системная техника. 2005, №6, с.35-38.

Принято к исполнению 13/10/2006 Исполнено 16/10/2006

Заказ № 752 Тираж 100экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 wvAv.auioreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Манушкин, Алексей Анатольевич

Список обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОД РЕНТГЕНОВСКОЙ РЕФРАКЦИОННОЙ РАДИОГРАФИН.

1.1. Основные принципы рефракционной радиографии.

1.2. Двухкристальный метод реализации рефракционной радиографии.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Развитие метода рентгеновской рефракционной радиографии для исследования биологических и медицинских объектов"

Актуальность темы. Рентгеновское просвечивание в течение века является одним из основных методов изучения макроструктуры объектов и широко применяется в науке, технике и медицине.

При значительном техническом прогрессе в средствах реализации рентгеновской диагностики физическая основа долгое время оставалась прежней - это различное ослабление излучения на неоднородностях объекта.

При большой толщине просвечивания получение информации о мелких деталях структуры, или о неоднородностях со слабой вариацией плотности встречает принципиальные трудности, обусловленные слабым контрастом получаемого изображения и необходимостью накопления сигнала для получения требуемого отношения сигнал/шум. Во многих случаях медицинской диагностики, где часто возникает вышеназванная проблема, приходится прибегать к введению контрастирующих веществ, или заведомо повышать дозу облучения.

В последнее время интенсивно развиваются неабсорбционные методы рентгеновской и нейтронной радиографии, основанные на преломлении лучей на неоднородностях объекта. Первые эксперименты, выполненные на рентгеновском (Рое^ег Е.,Оое1г К, 2аишгеП Р., [7]) и нейтронном (К.М.Подурец, В.А.Соменков, С.Ш.Шильштейн, [2]) источнике, показали, что получаемые рефракционные изображения слабопоглощающих объектов характеризуются краевым контрастом, который значительно превышает абсорбционный. В связи с этим возникла идея использования рефракционного метода для исследования слабопоглощающих биологических объектов и медицинской диагностики. Эта идея впервые была продемонстрирована (Соменков В.А, Ткалич А.К., Шилыптейн С.Ш.[3]) на небольших модельных и биологических объектах, рефракционные изображения которых были получены в двухкристальной схеме при угловом разрешении в 2 угловые секунды с использованием излучения рентгеновской трубки с медным анодом. В вышеназванных работах в рамках геометрической оптики были сформулированы принципы рефракционной радиографии и описаны рентгенооптические схемы ее реализации, которые рассмотрены в главе 1.

Для реальной медицинской диагностики, где требуется просвечивание тканей большой толщины жестким рентгеновским излучением с энергией квантов 20-60 кэВ, необходимо более высокое угловое разрешение, и для этой области энергий потребовалось дальнейшее развитие экспериментальных методик получения рефракционных изображений.

При решении этой задачи нами была создана лабораторная установка на базе двухкристального рентгеновского спектрометра с использованием излучения рентгеновской трубки (Манушкин А.А и соавторы, [4\). Основным результатом этих исследований, рассмотренных в главе 2, является реализация рефракционного способа получения изображений небольших объектов в лабораторных условиях с использованием характеристического излучения рентгеновских трубок.

В главе 3 последующие задачи исследований и логика их изложения были определены следующим образом. В работе [4] по рефракционной радиографии биологических объектов нами было отмечено, что фундаментальным фактором, определяющим предельное геометрическое разрешение рефракционного метода, является волновая природа рентгеновского излучения, выраженная в известном соотношении неопределенности.

В ходе изучения предельных возможностей рефракционной интроскопии на небольших модельных и биологических объектах с малыми вариациями плотности, было установлено, что для этих объектов величина рефракционного контраста ограничивается не только инструментальными факторами, но, прежде всего, волновой природой рентгеновского излучения. Была исследована связь геометрической оптики и волновой, и получены выражения для пределов геометрической оптики (Артемьев А.Н., Манушкин

A.A. и др., [5]) и расчета краевого контраста объектов в области волнового предела (A.A. Манушкин, K.M. Подурец, С.А.Щетинкин,[6]).

Параллельно с развитием двухкристального метода в целом ряде зарубежных стран развивались другие методы реализации фазового контраста. В приложении 2 представлены их краткое описание и сравнительная характеристика.

Далее рассматриваются конкретные возможности рефракционной радиографии применительно к визуализации различных органов и тканей животных и человека. Нами были исследованы особенности формирования и рефракционных изображений полостных органов, мягких тканей костей в различных рентгенооптических схемах их реализации, а также оптимальные условия получения этих изображений.

В главе 5 рассмотрены возможности рефракционной интроскопии в медицинской диагностике, что, по существу, является фокусом всей работы. Однако, в отличие от изложенного в предыдущих главах, эти исследования носят более конкретный характер. Во-первых, здесь учтены особенности медицинского исследования, связанные с большой толщиной просвечивания, сложностью исследуемого объекта, ограничениями на время и дозу экспозиции и т.д., а во-вторых, здесь исследованы возможности реализации медицинской рефракционной радиографии на Курчатовском источнике синхротронного излучения (СИ).

Параллельно нашим исследованиям, проводилось множество аналогичных исследований по фазоконтрастной интроскопии биологических объектов, большинство из которых выполнено на пучках источников синхротронного излучения (СИ) 3-его поколения (ESRF, Spring-8, PLS) обладающих большой интенсивностью и высокой степенью когерентности. На этих источниках стало возможным наблюдение фазоконтрастных изображений живых объектов с микронным пространственным и миллисекундным временным разрешением, а также осуществлять быстрый набор данных для их томографической реконструкции. Особенностью наших экспериментальных исследований являлось использование источников излучения меньшей мощности и с ограниченной когерентностью-лабораторных рентгеновских трубках и Курчатовского источника СИ. По нашему мнению, исследования возможностей рефракционного метода на таких источниках представляют самостоятельный интерес, поскольку более компактные источники излучения доступны более широкому кругу исследователей в области биологии и медицины. В соответствии с этим нами была поставлена задача развития метода проекционной рефракционной радиографии для исследования биологических объектов и медицинской диагностики, найти наиболее эффективные методы ее реализации, и сформулировать наиболее простые методы расчета и описания рефракционного контраста.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное развитие метода рентгеновской рефракционной радиографии применительно к исследованию биологических объектов и медицинской диагностике.

Объектом исследования является рентгеновская рефракционная радиография медико-биологических объектов.

Предметом исследования являются закономерности формирования рентгеновского рефракционного изображения макроструктуры медико-биологического объектов в условиях субсекундного углового разрешения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Развито теоретическое описание формирования краевого рефракционного контраста биологическихо бъектов, учитывающее волновую природу рентгеновского излучения.

Исследованы особенности формирования рефракционных изображений биологических объектов со сложной морфологией.

Разработаны методики получения рефракционных радиограмм биологических объектов с субсекундным угловым разрешением с использованием характеристического излучения лабораторных источников и синхротронного излучения в диапазоне энергий 17- 40 кэВ.

Теоретически и экспериментально обоснована возможность использования рефракционной радиографии для малодозовой медицинской диагностики и ее реализации на Курчатовском источнике синхротронного излучения.

Практическая значимость работы. Развитые в работе методы рентгеновской рефракционной радиографии с субсекундным угловым разрешением открывают новые возможности для исследования внутренней структуры биологических объектов и малодозовой медицинской диагностики.

Методическая разработка рефракционного метода была использована при создании станции малодозовой диагностики "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучения.

На защиту выносятся.

Концепция волнового описания формирования краевого рефракционного контраста основанная на использовании соотношения неопределенности. Критерий применимости геометрической оптики. Формулы для величины и ширины области краевого контраста в области предельных возможностей рефракционной радиографии.

Рефракционные радиограммы модельных и биологических объектов.

Результаты исследования углового уширения рентгеновского пучка в различных тканях. Модельные расчеты уровня структурного фона для объектов со сложной морфологией.

Результаты расчета дозовой нагрузки и времени экспозиции для рефракционной маммографии на Курчатовском источнике СИ.

Методики получения рефракционных радиограмм медико-биологических объектов с использованием характеристического излучения рентгеновских тубок и синхротронного излучения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на отечественных и международных конференциях, в том числе на Европейских кристаллографических конференциях (Москва, 1989,

1995), на Международных конференциях по синхротронному излучению (Новосибирск,, 1990,1996,1998, 2002),

XV международном совещании по использованию рассеяния нейтронов в физике твердого тела (Заречный, 1997), Международном совещании "Интерференционные явления в рассеянии рентгеновских лучей" (Москва, 1995),

2-ом Европейском симпозиуме "Рентгеновская топография и дифракция высокого разрешения" (Берлин, 1994),

Международном научном семинаре «Современные методы анализа дифракционных данных» (Москва, 2002)

Национальных совещаниях по рентгеновской оптике (Нижний Новгород (2003,2004),

IV Национальной конференции по применению Рентгеновского, Синхротронного излучения, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 2003),

ХЫП научной конференции Московского физико-технического института, (Москва, 1999), ежегодных конференциях Института сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ КИ (1993 - 2004).

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Манушкин, Алексей Анатольевич

Основные результаты и выводы

1. Развиты экспериментальные методики получения рефракционных изображений медико-биологических объектов с использованием характеристического излучения рентгеновских трубок и синхротронного излучения. Предложены оригинальные рентгенооптические схемы, отличающиеся высокой угловой стабильностью и высокой чувствительностью к малым угловым отклонениям в субсекундном угловом диапазоне.

2. Развита волновая теория формирования краевого контраста рефракционных изображений. С использованием универсального соотношения неопределенности сформулирован критерий применимости геометрической оптики. Получены простые аналитические выражения для описания краевого контраста в области предельных возможностей рефракционной радиографии.

3. Исследованы возможности рефракционной радиографии для исследования медико-биологических объектов. Показано, что в широком диапазоне вариаций плотностей и размеров рефракционные рентгенограммы внутренних полых органов, мягких тканей и костей биологических объектов характеризуются значительно большим контрастом и содержат больше видимых деталей изображения, чем абсорбционные.

4. Рассмотрена возможность использования рефракционного метода для целей медицинской диагностики. Рассчитанные экспозиционные дозы (<0,1) рад и времена экспозиции для маммографического фантома (<0,1 сек) показывают возможность реализации малодозовой медицинской диагностики на станции "Медиана" Курчатовского источника СИ.

5. Впервые исследованы особенности формирования рефракционного изображения для объектов большой толщины, характерных для медицинской диагностики. Показано, что при значительной толщине просвечивания мелкомасштабная структура тканей ухудшает угловое разрешение и создает на проекционном изображении структурный фон. С использованием волновой теории дано обоснование возможности уменьшения структурного фона, подтвержденное модельными расчетами.

Заключение

В основе работы, изложенной в диссертации, является идея использования когерентного рассеяния излучения на малые углы для получения изображений некристаллических слабопоглощающих объектов.

В данной работе эта идея развивалась применительно к задаче исследования биологических объектов и к медицинской диагностике. Особенностью этой задачи является необходимость получения достоверных изображений объектов с малыми вариациями в плотности и небольшими размерами при использовании жесткого излучения, малых временах экспозиции и небольших дозовых нагрузках.

Результаты, полученные в диссертации, показывают, что принципиальные возможности рефракционного метода столь значительны, что даже при минимальном техническом оснащении его демонстрационные возможности превышают возможности коммерческой аппаратуры, использующей традиционный абсорбционный метод. Это дает основание полагать, что при соответствующем техническом оснащении рентгеновская рефракционная диагностика может иметь практическое значение не только как лабораторный инструмент для решения специфических задач, но и как один из инструментов в медицинской диагностике.

Большим шагом от лабораторной реализации к практическому использованию рефракционного метода стало создание станции "Медиана" на Курчатовском источнике СИ. Первые камни в основание этой станции положили С.Ш. Шилыптейн и В. А. Соменков, и работы в этом направлении активно продолжаются под руководством K.M. Подурца при участии молодых сотрудников С.А. Щетинкина и Д.К. Погорелого.

Считаю своим приятным долгом выразить свою глубокую признательность С.Ш. Шилыптейну и В.А. Соменкову за постановку интересной задачи. Я благодарен K.M. Подурцу за помощь в исследованиях и моральную поддержку. Я также благодарен коллегам и соавторам из ИТЭБ

РАН г. Пущино и ИЯФ им. Будкера СО РАН г.Новосибирск за многолетнее плодотворное сотрудничество.

Особой благодарности заслуживают М.А. Куроптев и Ю.А. Булановский и за постоянную и незаменимую помощь в подготовке и проведении экспериментов, а также Р.В.Рябова за помощь в приобретении и обработке фотоматериалов.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Манушкин, Алексей Анатольевич, Пущино

1. Манушкин А.А., Митрофанов H.JI, Подурец К.М., Соменков В.А., Шилынтейн С.Ш. Рентгеновская рефракционная интроскопия биологических объектов Препринт ИАЭ- 5791/10. М, 1994.

2. А.А. Манушкин, С.А. Щетинкин. Рефракционный способ аттестации кристалл-дифракционных рентгенооптических устройств с субсекундным угловым разрешением // Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2002 , №1 , с. 106

3. А.А.Манушкин, А. И. Ходеев, С.Ш. Шилынтейн, А.А. Вазина, Л. А. Железная, Е.Г.Богданова. Исследование внутренней структуры мягких и костных тканей методом рентгеновской рефракционной интроскопии // Вестник рентгенологии и радиологии. 1998. №2. стр.32-37.

4. Артемьев A.H., Манушкин A.A., Недорезов В.Г., Туринге А.А., Шилынтейн С.Ш. "Расчет дозы облучения для рефракционной интроскопии". Препринт ИАЭ-6065/15. Москва, 1998.

5. Манушкин А.А., Подурец КМ., Щетинкин С.А. "Возможности рентгеновской рефракционной радиографии для исследования медицинских и биологических объектов со сложной морфологией."

6. Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования N2, 2003, с.12-16.

7. E.A.Beliaevskaya, M. Gambaccini, V.N. Ingal, A. A. Manushkin, F. Rustichelli, S.Sh.Shilstein, "X-ray imaging of a synthetic mammographie structure"// Physica Medica, 1997, Vol.XIV, №1, p.p. 19-23.

8. К.М.Подурец, Д.К.Погорелый, А.А.Манушкин, В.Г.Недорезов, В.А.Соменков, С.А.Щетинкин "Рефракционная интроскопия на станции "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучения"// Известия Академии наук; серия физическая. 2005 №2 с. 196-198.

9. К.М.Подурец, Д.К.Погорелый, А.А.Манушкин, В.Г.Недорезов, В.А.Соменков, С.А.Щетинкин. "Рефракционная интроскопия для медицины и материаловедения на Курчатовском источнике синхротронного излучения".//Нано- и микросистемная техника 2005 №6 с.35-38.

10. А.А.Манушкин, С.А.Щетинкин, В.В.Квардаков. Фазовая радиография с использованием "белого" пучка синхротронного излучения. Материалы национального совещания "Рентгеновская оптика 2002", Нижний Новгород: ИФМ РАН 2003.С. 304.