Развитие метода рентгеновской рефракционной радиографии для исследования биологических и медицинских объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Манушкин, Алексей Анатольевич

• Манушкин, Алексей Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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 диссертации 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Манушкин, Алексей Анатольевич, 2006 год

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.