Рентгеновская микротомография с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов

На правах рукописиБузмаков Алексей ВладимировичРЕНТГЕНОВСКАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМУВЕЛИЧИВАЮЩИХ РЕНТГЕНООПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВСпециальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния»01.04.01 – «Приборы и методы экспериментальной физики»Авторефератдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:Доктор физико-математических наукпрофессор Андреев Анатолий ВасильевичДоктор физико-математических наукАсадчиков Виктор ЕвгеньевичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наукпрофессор Бушуев Владимир АлексеевичДоктор физико-математических наукТкаль Валерий АлексеевичВедущая организация:Государственный технологический университетМосковский институт стали и сплавовЗащита диссертации состоится «07» октября 2009 г.

в ____ часов 30 минутна заседании диссертационного Д 501.002.01 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В.

ЛомоносоваАвтореферат разослан «04» сентября 2009 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.01кандидат физико-математических наук2Лаптинская Т.В.Актуальностьтемыобусловленанеобходимостьюизучениявнутреннейструктуры объектов, непрозрачных в видимом диапазоне электромагнитного излучения,особенно биологических, с микронным разрешением. Развитие методов рентгеновскоймикроскопии позволило заглянуть внутрь непрозрачных объектов с разрешениемпревышающимвозможностиоптическоймикроскопии.Большинстворентгеномикроскопических исследований выполняется в так называемом диапазонедлин волн 2.2-4.4 нм («водяное окно»), между K-краями поглощения углерода икислорода.

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 исследованиятолько очень тонких, специально подготовленных объектов. Для исследованияобъёмных,непланарных,объектовприменяетсяметодикарентгеновскоймикротомографии.

Но описанный выше диапазон длин волн не подходит длятомографических исследований, т.к. обладает малой глубиной проникновения. Болееперспективным для исследования объектов размером 1-10 мм является применениерентгеновского излучения в диапазоне 0.05 – 0.23 нм. Микроскопические исследования вэтом диапазоне ведутся в ряде лабораторий. Рентгеновское излучение такого диапазонавозможно получать при помощи простого и достаточно дешевого источника –рентгеновской трубки.Разрешениесовременныхмикротомографовзачастуюограниченопространственным разрешением детектора и составляет 6-10 мкм. На синхротронныхисточникахчастоиспользуютдетекторы,гдерентгеновскоеизображениеконвертируется в световое, которое затем оптическим путём увеличивается илиуменьшается до размера CCD-матрицы. Это позволяет достичь разрешения порядка1 мкм.

Однако и эффективность таких систем невелика.Другой путь повышения разрешения связан с использованием увеличивающихрентгенооптических элементов. Применяемые на синхротронных станциях зонныепластинки Френеля позволяют достичь субмикронного разрешения. Но дороговизна этихэлементовнепозволяетширокоприменятьихвлабораторныхустановках.Перспективной является разработка более дешёвых и простых в изготовлении3рентгенооптических элементов, позволяющих достигать микронного разрешения, т.к.этого обычно достаточно для изучения биологических объектов.Важнойчастьюпроведениятомографическихисследованийявляетсяматематическая процедура реконструкции.

Разработка и оптимизация алгоритмоввосстановлениярентгеновскогомикротомографическогоизображенияабсолютнонеобходима для повышения качества реконструкции, устранения артефактов и,следовательно, повышения достоверности результатов исследований, что создаётвозможность применения данных результатов широким кругом пользователей. Впоследнее время классические Фурье-методы обработки томографических данных сталиуступатьпозицииболеегибкималгебраическимметодам.Разработкановыхалгебраических методов позволяет использовать методы адаптивной обработкиизображений и учитывать морфологию и априорные данные об объекте.Т.о.

экспериментальные и теоретические работы автора по развитию методоврентгеновской микротомографии в диапазоне 0.05 – 0.23 нм, а так же работы посозданию новых алгоритмов и программ для обработки томографических изображенийявляются весьма актуальными.Цели работы.1. Экспериментальная и теоретическая разработка методов рентгеновскоймикротомографии с использованием увеличивающих рентгенооптических элементов винтервале длин волн 0,05-0,25 нм на лабораторных рентгеновских источниках.2.Создание новых алгоритмов и программного комплекса для обработкиэкспериментальных данных рентгеновской микротомографии.Научная новизна работы.1.Теоретически и экспериментально показано, что два увеличивающихрентгенооптических элемента - преломляющая многоэлементная рентгеновская линза иасимметричные кристаллы-монохроматоры - могут с успехом применяться длямикротомографическихисследованийструктурыорганическихобъектовналабораторных источниках в диапазоне длин волн 0.05-0.23 нм.

Применение этихэлементов позволяет в несколько раз увеличить разрешение метода, доводя его дозначений порядка 1 мкм при разрешении детектора порядка 13 мкм.2.Показано,чтодляисследованияпространственнойструктурыбиологических объектов размером от 0.5 мм до 100 мм, оптимальным с точки зрения4радиационной нагрузки на образец и получаемого абсорбционного рентгеновскогоконтраста является диапазон длин волн 0.05-0.23 нм.

Получена теоретическаязависимость между точностью реконструкции, размером объекта и длиной волнызондирующего излучения.3.Показано, что применение процедуры нелинейной фильтрации междуитерациями алгебраического метода позволяет существенно улучшить качествотомографической реконструкции и уменьшить чувствительность метода к шумамэксперимента.Практическая значимость работы состоит в том, что проведённый комплексисследованийпривёлксозданиюрядарентгеновскихмикротомографовдляисследования биологических объектов на лабораторных установках с полем зрения0.5–100 мм с разрешением 1-150 мкм соответственно. Выполненные на этих приборахисследования структуры шишковидной железы (эпифиза) головного мозга человека внорме и при патологии имеют диагностическое значение, а исследование изменений вструктуре опорно-двигательного аппарата геккона Pachydactylus bibroniпозволилоустановить, что кальциевый обмен этого животного не изменяется в условияхмикрогравитации.На защиту выносятся следующие положения:1.Диапазон длин волн 0.05-0.23 нм является оптимальным для исследованияпространственной структуры биологических объектов размером от 0.5 мм до100 мм.2.Увеличивающие рентгенооптические элементы: многоэлементная преломляющаялинза и асимметрично срезанные отражающие кристаллы позволяют налабораторных рентгеновских микротомографах достичь разрешения ~6 и ~1 мкмсоответственно.3.Создание четырёх рентгеновских микротомографов с полем зрения от 1 до100 мм с разрешением от 1 до 150 мкм.4.Новые алгоритмы и комплекс программ для обработки экспериментальныхданных рентгеновской микротомографии, позволяющие улучшить качествовосстановления внутренней структуры объекта.55.Результаты микротомографического исследования структуры шишковиднойжелезы (эпифиза) головного мозга человекав норме и при патологии.Исследование изменений в структуре опорно-двигательного аппарата гекконаPachydactylus bibroni, побывавшего в условиях микрогравитации.Апробация работы.

Результаты работы докладывались на молодежном конкурсенаучных работ ИК РАН в 2004 году и на 21-ой российской и международнойконференции, среди них: совещание «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, 2004;IX Ежегодный Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород, 2005;научно-техническая конференция “Интеллектуальные системы” AIS’05, Дивноморское2005; Национальная конференция по применению Рентгеновского, Синхротронногоизлучений, 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;Третиймеждународныйнаучныйсеминар"Современныеметодыанализадифракционных данных", Великий Новгород, 2006; XVI international synchrotron radiationconference, Novosibirsk, 2006; Workshop X-ray micro and nanoprobes: instruments,methodologies and applications, (XNMP-2007), Eriche, Italy, 2007; International Conferenceon Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT-2007), Minsk, 2007; 28th AnnualInternational Gravitational Physiology Meeting, San-Antonio, 2007; Conference Nanobio andrelated new and perspective biotechnologies, Pushchino, 2007; 13th International Conferenceon Experimental Mechanics, Greece, 2008; 9th International Conference on X-Ray Microscopy(XRM-08), Zürich, Switzerland, 2008; на Вторая международная молодёжная научнаяшкола–семинар«Современныеметодыанализадифракционныхданных(дифракционные методы для нанотехнологии)», Великий Новгород, 2008 г.Структура и объем диссертации.