WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Бузмаков Алексей Владимирович РЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УВЕЛИЧИВАЮЩИХ РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния» 01.04.01 – «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научные руководители: Доктор физико-математических наук профессор Андреев Анатолий Васильевич Доктор физико-математических наук Асадчиков Виктор Евгеньевич

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук профессор Бушуев Владимир Алексеевич Доктор физико-математических наук Ткаль Валерий Алексеевич

Ведущая организация:

Государственный технологический университет Московский институт стали и сплавов

Защита диссертации состоится «07» октября 2009 г. в часов 30 минут на заседании диссертационного Д 501.002.01 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Автореферат разослан «04» сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.01 кандидат физико-математических наук Лаптинская Т.В.

2 Актуальность темы обусловлена необходимостью изучения внутренней структуры объектов, непрозрачных в видимом диапазоне электромагнитного излучения, особенно биологических, с микронным разрешением. Развитие методов рентгеновской микроскопии позволило заглянуть внутрь непрозрачных объектов с разрешением превышающим возможности оптической микроскопии. Большинство рентгеномикроскопических исследований выполняется в так называемом диапазоне длин волн 2.2-4.4 нм («водяное окно»), между K-краями поглощения углерода и кислорода. При этом поглощение в воде на порядок меньше чем в биологических (углеродосодержащих) тканях, что и обеспечивает высокий контраст. В диапазоне «водяного окна» достигнуты наибольшие успехи по получению высокого разрешения.

Однако, в этом диапазоне глубина проникновения излучения в вещество (например, биологические ткани) не превышает двух десятков микрон, что допускает исследования только очень тонких, специально подготовленных объектов. Для исследования объёмных, не планарных, объектов применяется методика рентгеновской микротомографии. Но описанный выше диапазон длин волн не подходит для томографических исследований, т.к. обладает малой глубиной проникновения. Более перспективным для исследования объектов размером 1-10 мм является применение рентгеновского излучения в диапазоне 0.05 – 0.23 нм. Микроскопические исследования в этом диапазоне ведутся в ряде лабораторий. Рентгеновское излучение такого диапазона возможно получать при помощи простого и достаточно дешевого источника – рентгеновской трубки.

Разрешение современных микротомографов зачастую ограничено пространственным разрешением детектора и составляет 6-10 мкм. На синхротронных источниках часто используют детекторы, где рентгеновское изображение конвертируется в световое, которое затем оптическим путём увеличивается или уменьшается до размера CCD-матрицы. Это позволяет достичь разрешения порядка 1 мкм. Однако и эффективность таких систем невелика.

Другой путь повышения разрешения связан с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов. Применяемые на синхротронных станциях зонные пластинки Френеля позволяют достичь субмикронного разрешения. Но дороговизна этих элементов не позволяет широко применять их в лабораторных установках.

Перспективной является разработка более дешёвых и простых в изготовлении рентгенооптических элементов, позволяющих достигать микронного разрешения, т.к.

этого обычно достаточно для изучения биологических объектов.

Важной частью проведения томографических исследований является математическая процедура реконструкции. Разработка и оптимизация алгоритмов восстановления рентгеновского микротомографического изображения абсолютно необходима для повышения качества реконструкции, устранения артефактов и, следовательно, повышения достоверности результатов исследований, что создаёт возможность применения данных результатов широким кругом пользователей. В последнее время классические Фурье-методы обработки томографических данных стали уступать позиции более гибким алгебраическим методам. Разработка новых алгебраических методов позволяет использовать методы адаптивной обработки изображений и учитывать морфологию и априорные данные об объекте.

Т.о. экспериментальные и теоретические работы автора по развитию методов рентгеновской микротомографии в диапазоне 0.05 – 0.23 нм, а так же работы по созданию новых алгоритмов и программ для обработки томографических изображений являются весьма актуальными.

Цели работы.

1. Экспериментальная и теоретическая разработка методов рентгеновской микротомографии с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов в интервале длин волн 0,05-0,25 нм на лабораторных рентгеновских источниках.

2. Создание новых алгоритмов и программного комплекса для обработки экспериментальных данных рентгеновской микротомографии.

Научная новизна работы.

1. Теоретически и экспериментально показано, что два увеличивающих рентгенооптических элемента - преломляющая многоэлементная рентгеновская линза и асимметричные кристаллы-монохроматоры - могут с успехом применяться для микротомографических исследований структуры органических объектов на лабораторных источниках в диапазоне длин волн 0.05-0.23 нм. Применение этих элементов позволяет в несколько раз увеличить разрешение метода, доводя его до значений порядка 1 мкм при разрешении детектора порядка 13 мкм.

2. Показано, что для исследования пространственной структуры биологических объектов размером от 0.5 мм до 100 мм, оптимальным с точки зрения радиационной нагрузки на образец и получаемого абсорбционного рентгеновского контраста является диапазон длин волн 0.05-0.23 нм. Получена теоретическая зависимость между точностью реконструкции, размером объекта и длиной волны зондирующего излучения.

3. Показано, что применение процедуры нелинейной фильтрации между итерациями алгебраического метода позволяет существенно улучшить качество томографической реконструкции и уменьшить чувствительность метода к шумам эксперимента.

Практическая значимость работы состоит в том, что проведённый комплекс исследований привёл к созданию ряда рентгеновских микротомографов для исследования биологических объектов на лабораторных установках с полем зрения 0.5–100 мм с разрешением 1-150 мкм соответственно. Выполненные на этих приборах исследования структуры шишковидной железы (эпифиза) головного мозга человека в норме и при патологии имеют диагностическое значение, а исследование изменений в структуре опорно-двигательного аппарата геккона Pachydactylus bibroni позволило установить, что кальциевый обмен этого животного не изменяется в условиях микрогравитации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Диапазон длин волн 0.05-0.23 нм является оптимальным для исследования пространственной структуры биологических объектов размером от 0.5 мм до 100 мм.

2. Увеличивающие рентгенооптические элементы: многоэлементная преломляющая линза и асимметрично срезанные отражающие кристаллы позволяют на лабораторных рентгеновских микротомографах достичь разрешения ~6 и ~1 мкм соответственно.

3. Создание четырёх рентгеновских микротомографов с полем зрения от 1 до 100 мм с разрешением от 1 до 150 мкм.

4. Новые алгоритмы и комплекс программ для обработки экспериментальных данных рентгеновской микротомографии, позволяющие улучшить качество восстановления внутренней структуры объекта.

5. Результаты микротомографического исследования структуры шишковидной железы (эпифиза) головного мозга человека в норме и при патологии.

Исследование изменений в структуре опорно-двигательного аппарата геккона Pachydactylus bibroni, побывавшего в условиях микрогравитации.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на молодежном конкурсе научных работ ИК РАН в 2004 году и на 21-ой российской и международной конференции, среди них: совещание «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, 2004;

IX Ежегодный Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, 2005;

научно-техническая конференция “Интеллектуальные системы” AIS’05, Дивноморское 2005; Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ НАНО-2005), Москва, 2005 г.; конференция “Фундаментальные науки - медицине”, Москва, 2006;

International Conference on Optical Technologies in Biophysics and Medicine, Saratov, 2006;

конференция "Актуальные вопросы морфогенеза в норме и патологии", Москва, 2006;

Третий международный научный семинар "Современные методы анализа дифракционных данных", Великий Новгород, 2006; XVI international synchrotron radiation conference, Novosibirsk, 2006; Workshop X-ray micro and nanoprobes: instruments, methodologies and applications, (XNMP-2007), Eriche, Italy, 2007; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT-2007), Minsk, 2007; 28th Annual International Gravitational Physiology Meeting, San-Antonio, 2007; Conference Nanobio and related new and perspective biotechnologies, Pushchino, 2007; 13th International Conference on Experimental Mechanics, Greece, 2008; 9th International Conference on X-Ray Microscopy (XRM-08), Zrich, Switzerland, 2008; на Вторая международная молодёжная научная школа–семинар «Современные методы анализа дифракционных данных (дифракционные методы для нанотехнологии)», Великий Новгород, 2008 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, объёмом 131 страниц, включая 69 рисунков и список литературы из наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследований, кратко изложено содержание работы.

Глава 1 посвящена обзору литературы по рентгеновской микротомографии и математическим методам решения задач компьютерной томографии. В первой части литературного обзора выделяются диапазоны рентгеновского излучения, используемые в рентгеновской микротомографии. Далее рассматриваются детекторы рентгеновского излучения, используемые в рентгеновской микротомографии, и дается краткое описание принципов их работы. Раздел 1.3 содержит описание основных схем рентгеновской микротомографии, рентгенооптических элементов и их характеристик. В разделе 1.приведён обзор современных математических методов решения задач компьютерной томографии. В конце главы 1 делается вывод о целесообразности использования асимметричных кристаллов и многоэлементных преломляющих линз для получения увеличенных рентгеновских изображений в лабораторных условиях.

Глава 2 посвящена разработке математических методов решения задач компьютерной томографии и расчёту оптимальных параметров рентгенооптических элементов. Данная глава состоит из 5 разделов.

В первом разделе строится физическая модель томографического эксперимента.

Показывается, что использование полихроматического рентгеновского излучения затрудняет, а иногда и вовсе не позволяет найти численное значение рентгенооптической плотности изучаемого объекта.

Далее показано что, для проведения томографических исследований необходимо правильно выбрать характеристики применяемого в экспериментах излучения. Они должны быть таковы, что с одной стороны, объект с размерами 0.001-10 мм не стал бы для нас совершенно непрозрачным, а с другой стороны, поглощение в образце было бы все же существенным даже для таких мягких биологических тканей, как эпителиальные покровы. Например, показатель поглощения белка для фотонов с энергией E=8 кэВ (=1.5 ) — порядка 1 мм-1, что хорошо подходит для исследования биообъектов размером несколько миллиметров.

Оптимальной можно считать область, где контраст, определяемый как соотношение поглощения рентгеновского излучения внутренними объектами и поглощения окружающей среды (воды), равен 0.2-0.8, что соответствует длине волны 1.5-4.0. При этом разумным представляется использование максимально длинноволнового излучения, для которого, однако, объект ещё является прозрачным.

Заметим так же, что лабораторные рентгеновские источники позволяют исследовать не только биообъекты, но и, например, объекты микроэлектроники. На рис. представлена номограмма, позволяющая выбрать длину волны рентгеновского излучения для исследования объектов из кремния или воды размером от 0.1 до 100 мм.

Этот график построен в предположении, что объект ослабляет рентгеновское излучение в 1000 раз и изображение может быть зафиксировано ПЗС детектором.

Рис. 1. К выбору оптимальной длины волны рентгеновского излучения в зависимости от материала и размера исследуемого объекта.

В лабораторных условиях наиболее подходящими источниками для исследования биологических объектов являются рентгеновские трубки с анодом из меди (CuK=1.54 ) или хрома (CrK=2.29 ). Ясно, что для исследования биообъектов объектов, размер которых составляет несколько сантиметров, а так же объектов из кремния и других сильно поглощающих материалов, необходимо выбирать более коротковолновые источники, например трубку с молибденовым (MoK=0.71 ) или серебряным анодом (AgK=0.56 ).

Оценим теперь выбор оптимальной длины волны излучения для уменьшения радиационной нагрузки на образец. Примем, как критерий толщины объекта, такое его значение L, при котором излучение ослабляется в 1000 раз. В приближении, что вероятность регистрации фотонов подчиняется распределению Пуассона, ошибка для N зарегистрированных фотонов может быть оценена как N. Получена формула связывающая интенсивность зондирующего излучения N0, линейный размер исследуемого объекта L и относительную ошибку a определения значения рентгенооптической плотности (т.е. a ) :

N0 1 eL (1) a2LЗависимость поглощенной дозы, получаемой объектом размером 10 мм, от длины волны зондирующего излучения представлен на рис. 2. Видно, что существует минимум поглощенной дозы для биологического объекта размером около 10 мм, и этот минимум достигается при длине волны 1.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»