WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 2. Зависимость поглощённой дозы от длины волны зондирующего излучения при размере исследуемого объекта 10 мм Другим интересным фактом является то, что для фиксированной длины волны существует оптимальный размер объекта для исследования. Приведённая ниже (рис.3) зависимость показывает, что для длины волны 1, оптимальными для исследования являются биологические объекты размером 10-30 мм.

Т.о. можно сделать вывод о том, что при данной точности измерений минимальная доза облучения наблюдается именно в диапазоне длин волн 0,5-1,5, который наиболее часто используется в лабораторных структурных исследованиях.

Рис. 3. Зависимость поглощённой дозы от размера исследуемого объекта на длине волны В разделе 2.2 проводится сравнение математических методов реконструкции томографических данных. Автором предлагается новая модификация алгебраического метода реконструкции. Алгебраический метод является итерационным методом реконструкции, основанным на решении систем линейных алгебраических уравнений.

Суть внесённых автором улучшений состоит во введении этапа нелинейной фильтрации между итерациями метода. На этапе фильтрации применялся медианный фильтр с размером анализируемой области 3 на 3 пикселя. Причём влияние этого фильтра уменьшалось по мере увеличения номера итерации. Это позволило на начальных шагах работы алгоритма отсеять резкие шумовые пики, а в конце работы алгоритма выявить тонкие детали изображения.

Автором проведено восстановление стандартного в томографии фантома ШеппаЛогана размером 200 пикселей с внесённым в проекции 1% аддитивным шумом.

Показано, что классический метод свёртки и обратного проецирования дает изображение, искажённое высокочастотным шумом, алгебраический метод SART даёт размытое изображение, а модифицированный автором алгебраический метод даёт изображение с самыми резкими краями. Следует также отметить, что алгебраический метод почти лишён радиальных артефактов, которые неизбежно возникают при использовании метода свёртки и обратного проецирования.

Рис. 4 и рис. 5 демонстрируют продольное и поперечное сечение реконструкции модели Шеппа-Логана, проведённое различными методами. Хорошо видны высокочастотные осцилляции, возникающие при восстановлении методом свёртки и обратных проекций. Хотя модифицированный алгебраический метод и даёт картинку более близкую к начальному объекту, следует заметить, что в районе границ фантома, где поглощение должно быть равным 1.0, этот метод даёт значение порядка 0.7-0.8, а метод обратного проецирования 0.95-1.0.

Рис. 4. Восстановление поперечного сечения фантома Шеппа-Логана методом свёртки и обратного проецирования и модифицированным алгебраическим методом.

При реализации алгебраического метода был использован разработанный автором метод быстрого обратного проецирования. Использование оптимизированных функций поворота изображений позволило ускорить работу алгоритма с 80 секунд в реализации на MATLAB до 2 секунд в реализации автора на С++ и С#. Т.о. модифицированный алгебраический метод позволяет получать результаты с лучшим качеством и отсутствием радиальных артефактов. Но с другой стороны этот метод работает примерно в 5-10 раз медленнее метода свёртки и обратного проецирования и требует больше вычислительных ресурсов.

Рис. 5. Восстановление продольного сечения фантома Шеппа-Логана методом свёртки и обратного проецирования и модифицированным алгебраическим методом.

В разделе 2.3 описывается созданный автором, на основании разработанных алгоритмов, комплекс программного обеспечения для обработки данных томографических исследований. Этот программный комплекс позволяет проводить реконструкцию томографических данных, полученных как на созданных нами микротомографах, так и на томографе SkyScan 1172 и станции ESRF ID-22. Благодаря изначальной ориентированности на вычисления на многопроцессорных компьютерах, программа эффективно распараллеливается до 500-2000 вычислительных потоков, в зависимости от объёма исходных данных.

В параграфе 2.4 производится расчёт параметров многоэлементной преломляющей линзы. Этот рентгенооптический элемент представляет собой ряд воздушных пузырьков, сформированных в стеклянном капилляре, заполненном эпоксидной смолой. Показано, что использованная в работе линза имеет фокусное расстояние 95 мм на излучении CrK (=2.29 ), а для линии CuK (=1.54 ) фокусное расстояние равно 180 мм. Интегральное пропускание линзы на излучении CrK составило 6%, а на излучении CuK 36%. Проведённый методом трассировки лучей расчёт пространственного разрешения и поля зрения этой линзы показал, что на энергии CrK поле зрения составляет 2.5 мм, а на энергии CuK - 4.0 мм при разрешении порядка мкм.

В параграфе 2.5 рассматривается другой класс увеличивающих рентгенооптических элементов, где используется дифракция рентгеновского излучения на атомных плоскостях кристаллов. Наиболее известны для данного круга задач асимметрично срезанные отражающие кристаллы. Показано, что асимметрично срезанный отражающий кристалл может обеспечить субмикронное разрешение при увеличении в 20 раз на длине волны =1.54 (линия CuK). Главным фактором, ограничивающим разрешение, является дифракция излучения на пути от объекта до детектора.

Глава 3 Посвящена описанию созданных микротомографов и экспериментам по рентгеновской микротомографии с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов. Данная глава состоит из 5 разделов.

Параграф 3.1 представляет собой обзор созданных нами рентгеновских микротомографов. В их конструкции используются как линейные позиционночувствительные детекторы, так и детекторы на базе CCD-матриц. Применение различных увеличивающих рентгенооптических элементов позволило достичь разрешения от 1 мкм до 100 мкм при поле зрения от 1 мм до 100 мм соответственно.

Краткие характеристики созданных приборов приведены в таблице Таблица 1 Краткие характеристики созданных микротомографов.

Номер Поле Разрешение Тип используемого Используемые микрото зрения детектора рентгенооптически мографа е элементы Линейный позиционно 1 0.1100 мм 150 мкм чувствительный - детектор с линией задержки CCD-матрица 2 1010 мм 13 мкм - 10241152 пикселя CCD-матрица Многоэлементная 3 11 мм 6 мкм 20482048 пикселя пузырьковая линза Асимметрично срезанные CCD-матрица 4 0.60.6 мм 1-2 мкм совершенные 20482048 пикселя кристаллы монохроматоры В разделе 3.2 описан дифрактометр ДРШ, используемый автором для ряда томографических исследований. Даются оценки точности реконструкции пространственного разрешения и чувствительности прибора. Описываются некоторые эксперименты, выполненные автором на этом приборе. В частности приведены результаты исследования внутреннего строения тритона Salamandrella keyserlingii (Cибирский углозуб).

Рис. 6. Реконструкции эпифизов головного мозга человека В разделе 3.3 приведено описание рентгеновского микротомографа, сконструированного автором на базе дифрактометра Амур-1, с использованием двумерного детектора – ПЗС-матрицы. Использование ПЗС-матрицы позволило улучшить разрешение до ~13 мкм, при уменьшении времени проведения эксперимента до полутора часов.

В разделе 3.4 представлены результаты некоторых томографических исследований, проведённых на описанном в пункте 3.3 микротомографе. В частности, нами были исследованы эпифизы в норме и при наличии патологии – болезни Альцгеймера и шизофрении. Разрешение на уровне 10-13 мкм позволило увидеть структуру кальциевых конкрементов. Установлено, что при шизофрении по сравнению с группой сравнения уменьшено количество и относительная плотность мозгового песка.

На рис. 6 представлены реконструкции некоторых эпифизов головного мозга человека Раздел 3.5 посвящен описанию созданного лабораторного микротомографа с использованием микрокапиллярной линзы (рис. 7). Данная конструкция, по оценкам автора, позволят получать реконструкции внутренней структуры объекта с разрешением 3-6 мкм при поле зрения до 1 мм. Для проведения томографических исследований собрана рентгенооптическая схема с двукратным увеличением.

Рис.7. Схема экспериментальной установки. 1-источник, 2- блок монохроматора 3- исследуемый объект на гониометрическом столике 4- диафрагма, 5- многоэлементная линза, 6 двумерный детектор на базе CCD-матрицы.

На рис. 8 приведена трёхмерная реконструкция зуба геккона Pachydactylus bibronii с увеличением в 2 раза и разрешением 6 мкм.

Рис.8. Томографическая реконструкция зуба геккона с двукратным увеличением.

В пункте 3.6. описывается созданный лабораторный микротомограф с использованием асимметрично срезанных кристаллов монохроматоров (рис. 9). Наши расчёты показали, что данная конструкция позволят получать реконструкции внутренней структуры объекта с разрешением 1-2 мкм при поле зрения до 1 мм. Для проведения томографических исследований собрана рентгенооптическая схема с увеличением в 20 раз.

Рис.9. Схема экспериментальной установки. 1-источник, 2- исследуемый объект на гониометрическом столике 3,4- асимметрично срезанные кристаллы монохроматоры, 6 двумерный детектор на базе CCD-матрицы.

На рис. 10 приведена трёхмерная реконструкция зуба геккона Pachydactylus bibronii с увеличением 20 раз и разрешением ~1 мкм.

Рис.10. Томографическая реконструкция и поперечное сечение зуба геккона с увеличением 20 раз.

ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Впервые показано, что излучение в интервале длин волн 0.07-0.23 нм, обычно используемое в рентгеноструктурном анализе и соответствующее длинам волн широко распространённых рентгеновских трубок, наиболее приемлемо для исследования структуры биологических объектов с линейными размерами 1-100 мм с субмиллиметровым, и даже микронным разрешением. В этом диапазоне длин волн наблюдается наилучший контраст между мягкими тканями и окружающей средой (водой), а радиационная нагрузка на исследуемый объект является минимальной. В частности, для линейных размерах объекта порядка 1 см она составляет ~1 Гр, при точности восстановления 10 % на длине волны 0.15 нм.

2. Разработаны конструкции нескольких микротомографов.

- Микротомограф на базе дифрактометра ДРШ с полем зрения до 100 мм при разрешении порядка 150 мкм. В конструкции этого прибора используется линейный позиционно чувствительный детектор. В этом микротомографе реализована послойная схема сканирования.

- Микротомограф на базе дифрактометра АМУР-1 с полем зрения до 10 мм при разрешении порядка 10 мкм. В конструкции этого прибора используется двумерный CCD-детектор. Использование такого детектора позволило отказаться от послойной схемы сканирования и, тем самым, уменьшить время проведения исследований с нескольких дней, до полутора часов.

- Внесение в конструкцию описанного выше микротомографа увеличивающего рентгенооптического элемента – многоэлементной преломляющей линзы, позволило улучшить разрешение до ~6 мкм при поле зрения ~2 мм - Для исследования объектов с разрешением ~1 мкм при поле зрения ~1 мм, создан микротомограф с использованием увеличивающей оптики на базе асимметрично срезанных отражающих кристаллов Si(220) с коэффициентом асимметрии 20.

3. Создан комплекс программного обеспечения для обработки данных томографических экспериментов реализующий метод свёртки и обратного проецирования и модифицированный автором алгебраический метод. Реализованная автором возможность распараллеливания этих алгоритмов на несколько вычислительных узлов позволяет эффективно использовать разработанные программы на современных многопроцессорных компьютерах. Проведён детальный анализ точности методов реконструкции. Выполнен анализ влияния шумов эксперимента на результаты томографических исследований.

4. Исследована структура двух медико-биологических объектов.

- Впервые систематически изучена пространственная организация шишковидной железы (эпифиза) головного мозга человека с разрешением ~10 мкм. На основании более 30 независимых реконструкций показано, что конкрементная структура эпифиза в норме существенно отличается, по крайней мере, для двух патологий – шизофрении и болезни Альцгеймера.

- Исследованы особенности строения опорно-двигательного аппарата и других частей скелета геккона Pachydactylus bibroni в норме и в условиях микрогравитации. С помощью рентгеновской микротомографии впервые получены достоверные свидетельства того, что минеральный обмен не подвергается изменениям при наличии реакции опоры у этих экспериментальных животных. В частности, для образцов, побывавших в невесомости средний по кости линейный показатель поглощения составляет величину 0.24 мм-1, а для контрольной группы – 0.23 мм-1.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих статьях:

1. В.Е. Асадчиков, А.В. Бузмаков, Р.А. Сенин и др. “Рентгеновский дифрактометр с подвижной системой излучатель-детектор” //Приборы и техника эксперимента, №3, c. 99-107 (2005).

2. А.В. Андреев, В.Е. Асадчиков, А.В. Бузмаков, Ю.В. Пономарев и др.

“Рентгеномикроскопические методы в исследовании трековых мембран и биологических объектов”// Мембраны №3 (27), 2005. c.17-27.

3. А.В.Андреев, В.Е. Асадчиков, А.В. Бузмаков, А.А. Коновко, Ю.В.Пономарев, Р. А. Сенин и др. “Двумерное увеличение изображения в рентгеновском микроскопе асимметричного отражения. ” // Письма в ЖЭТФ, том 85, вып. 1, 2007 г., с. 106-4. М.В. Чукалина, А.В. Бузмаков, Д.П. Николаев и др. “Рентгеновская микротомография на лабораторном источнике: техника измерений и сравнение алгоритмов реконструкции.” // Измерительная техника, №2, 2008 г., стр. 19-5. Гулимова В.И., Никитин В.Б., Асадчиков В.Е., Бузмаков А.В и др. “Морфология толстопалого геккона (Pachydactylus bibronii Smith, 1846) после 16-суточного космического полёта. ” // Морфология, 2006, №4, с.41-42.

6. Фокин Е.А., Савельев С.В., Гулимова В.И., Асадчиков В.Е., Сенин Р.А., Бузмаков А.В. “Морфогенез и пространственная организация конкрементов эпифиза человека при болезни Альцгеймера, шизофрении и алкоголизме.” //Архив патологии, 2006, Т.68, №5, c.20-22.

7. Gulimova V.I., Nikitin V.B., Asadchikov V.E., Buzmakov A.V., Okshtein I.L., Almeida E.A.C., Ilyin E.A., Tairbekov M.G., Saveliev S.V. “Effect of 16-day spaceflight on the morphology of thick-toed geckos (Pachydactylus turnery Gray, 1846).” // Journal of Gravitational Physiology, 2006, V.13, N.1, P. 197-200.

Pages:     | 1 || 3 |






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