Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ДИФРАКЦИОННЫЙ СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Метод рентгеновского фазового контраста

Получение изображения внутренней макроструктуры объекта в рентгеновском излучении является важным диагностическим инструментом в медицине, биологии и материаловедении. Для этой цели рентгеновские лучи, обладающие высокой проникающей способностью, были выбраны не случайно. С их помощью можно исследовать структуру внутренней части объекта, не разрушая его. В настоящее время традиционные методы медицинской и промышленной радиографии, томографии, микроскопии и т.д. основаны на изменении коэффициента поглощения рентгеновских лучей различными участками объекта вследствие изменения его плотности, состава и толщины.

Эта задача существенно усложняется при исследовании слабопоглощающих объектов на основе углерода, какими являются мягкие биологические ткани. Хотя рентгеновские лучи проникают глубоко в такие материалы из-за малого градиента коэффициента поглощения контраст их изображений слабый. В рамках методов рентгеновской томографии и радиографии для получения хорошо разрешимой картины внутренних органов вводятся контрастирующие препараты, содержащие соли бария, а при диагностике кровеносных сосудов - йодосодержащие вещества.

Контрастирующие препараты, продвигаясь с жидкостью, в частности кровью, по соответствующим каналам живого организма под воздействием рентгеновских лучей флюоресцируют, т.е. испускают лучи, обладающие высокой проникающей способностью, которые выходят из объекта и попадают на фотопленку или детекторы. Таким образом, производя съемку внутренних органов или кровеносных сосудов через определенный интервал времени, локализуется больной участок, препятствующий дальнейшему продвижению жидких веществ, в частности крови. Используя жесткие рентгеновские лучи, в рамках контактной радиографии и томографии получают информацию о внутренней структуре, которую в настоящее время нельзя получить другими не разрушающими методами.

С целью уменьшения дозы облучения в медицинской диагностике следует применять более мягкое излучение. Однако, исследования объектов большого размера методами, основанными на явлении поглощения, требуют применения жесткого излучения, в противном случае, все излучение поглотится. Из этого следует, что для уменьшения дозы облучения нельзя использовать явление поглощения и необходимо разрабатывать методы, основанные на преломлении.

Явление преломления рентгеновских лучей для исследования внутренней макроструктуры объектов долгое время не использовалось вследствие малости углов преломления (единицы и десятью доли угловых секунд). Возможность регистрации таких углов преломления появилась с развитием техники высокоразрешающей рентгеновской дифрактомет- рии. Метод, позволяющий необычайно сильно увеличить контраст слабопоглощающих материалов за счет сочетания явлений преломления и дифракции рентгеновских лучей, получил название метода рентгеновского фазового контраста.

Он позволяет с высоким пространственным разрешением осуществлять визуализацию внутреннего строения слабопоглощающих объектов с малыми градиентами плотности вещества [44-46]. В основе метода лежит использование явления преломления рентгеновских лучей в объекте, которое приводит к искажению фазового фронта прошедшей волны. В результате такого искажения фазы рентгеновские лучи отклоняются от своего первоначального направления на малые углы, величина которых зависит от пространственного распределения плотности вещества в исследуемом объекте.

Прошедшее через объект излучение регистрируется с помощью высокосовершенного кристалла-анализатора, установленного в малой окрестности области брэгговского отражения. В итоге даже небольшие изменения углов падения рентгеновских лучей на анализатор приводят к значительному изменению интенсивности дифракционного отражения, которое фиксируется фотопленкой или координатным детектором. Следует отметить, что дифракционное отражение не является аналогом отражения от поверхности зеркала. Дифракция проистекает в объеме кристалла. Дифракционный объем кристалла определяется длиной экстинкции, зависящей от длины волны. В результате дифракционного отражения происходят свертка волн и формирование точек изображения.

Схема эксперимента

Рис. 11.16. Схема эксперимента: а - ход рентгеновских лучей, Ь - кривая дифракционного отражения кристалла-анализатора; 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - кристалл-монохроматор, 3 - исследуемый образец, 4 - кристалл-анализатор, 5 - детектор или фотопленка; А, В, С- рентгеновские лучи [47].

Помимо упомянутой выше геометрии Брэгга (на отражение), метод рентгеновского фазового контраста может быть реализован и в геометрии Лауэ (как на отражение - Ti- пучок, так и на прохождение - Г-пучок).

Схема эксперимента в геометрии Лауэ. Р - рентгеновское излучение, Щ - щель, М - кристалл-монохроматор, О - образец, А - анализатор, Ф - фотопластинка

Рис. 11.17. Схема эксперимента в геометрии Лауэ. Р - рентгеновское излучение, Щ - щель, М - кристалл-монохроматор, О - образец, А - анализатор, Ф - фотопластинка.

Преломление рентгеновских лучей зависит от их энергии и электронной плотности исследуемого объекта. Например, угол преломления лучей с энергией 8.048 кэВ (рентгеновская трубка с медным анодом) на границе протеина и воды составляет примерно 0.2", что соизмеримо с угловой областью резкого изменения интенсивности кривой дифракционного отражения кристалла-анализатора. Поэтому, метод фазового контраста позволяет повысить контраст изображения на 1-2 порядка [48-50] по сравнению с традиционными абсорбционными методами, что особенно актуально при изучении медикобиологических объектов. Пространственное разрешение метода ограничено только расходимостью рентгеновского луча и процессом дифракции в кристаллах.

Фазоконтрастные изображения рыбки (авторы снимка В.Н.Ингал, Е.А.Беляевская). а - поглощение; фазовый контраст

Рис. 11.18. Фазоконтрастные изображения рыбки (авторы снимка В.Н.Ингал, Е.А.Беляевская). а - поглощение; фазовый контраст: б - Г-пучок, Д0 = 1", в - Г-пучок, Д0 = -1", г-Л-пучок, Д0 =-1".

С точки зрения волновой оптики фазоконтрастные изображения получаются в результате интерференции падающей волны с волнами, прошедшими через образец. Эта техника существовала много лет для изображения слабопоглощающих материалов, но отсутствие линзовых систем для коротких длин волн препятствовало развитию аналогичных устройств для жестких рентгеновских лучей. Открытие возможности делать высокочувствительный угловой анализ монохроматических рентгеновских лучей с помощью совершенных кристаллов, используя обычную дифракцию на кристаллах, положило начало рентгеновским фазоконтрастным исследованиям. Впервые эта идея была экспериментально реализована в 1980 году для определения толщины стенок сфер малого радиуса.

Важное значение имеет вопрос о предельной чувствительности метода к изменению коэффициента преломления. Из развитой в работе [48] теории следует, что можно зафиксировать изменение декремента коэффициента преломления А8 ~ 10“9, что на три порядка меньше значений декремента преломления для мягких тканей большинства медикобиологических объектов.

Рассматриваемый метод позволяет получать контрастные изображения слабопоглощающих объектов в их естественном виде, без использования контрастирующих препаратов, введение которых в живой организм небезопасно, особенно при наличии аллергических реакций. Безопасность клинической диагностики новым методом обусловлена еще и тем, что чувствительность абсорбционных методов уменьшается с ростом энергии излучения как ЕГЪ, а фазоконтрастных методов - ЕГ2. Следовательно, фазоконтрастная диагностика более чувствительна при высокой энергии. Это дает возможность получения информации в фазоконтрастном приближении по рассеянию высокоэнергетических рентгеновских лучей такой же, как в рамках обычной радиографии, но с поглощением меньшей дозы и, соответственно, нанесением меньшего вреда живому организму. Метод фазового контраста может применяться и в других областях рентгеновской диагностики [51].

Отличие экспериментальной установки состоит в том, что лучи из рентгеновской трубки падают сначала не на объект, как в традиционных методах, а на совершенный монокристалл и только после дифракционного отражения от него попадают на диагностируемый участок. Пройдя сквозь объект, рентгеновские лучи попадают на фотобумагу или датчик только после дифракционного отражения от совершенного монокристалла.

Фазоконтрастное изображение сильно зависит от источника излучения. В случае высокой пространственной когерентности рентгеновского луча фазокон грастное изображение объекта можно получить расположением высокоразрешающей пленки сразу за объектом. Следует отметить, что таким образом можно получить изображения объктов малого размера от 0.1 до 50 мкм.

Острофокусные трубки (~20мкм) позволяют получать хороший контраст границ слабопоглощающих объектов на расстоянии около 1 м даже в тормозном излучении, а сочетание острофокусной трубки со щелевым монохроматором позволяет уменьшить угловое разрешение до 0.2".

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>