31
Лучевая диагностика
УДК 621.384.6
А. Ю. Грязнов, канд. техн. наук,
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
О возможности получения фазоконтрастных изображений на микрофокусных источниках рентгеновского излучения
Ключевые слова: микрофокусная рентгенография, фазовый и амплитудный контраст, медицинская рентгенодиагностика
В статье предложен метод получения фазоконтрастных рентгеновских изображений с использованием микрофокусного источника излучения. Показаны преимущества предложенного метода по сравнения с используемыми в настоящее время. Описаны особенности фазоконтрастных изображений по сравнению с традиционными, а также способ повышения информативности получаемых снимков.
В настоящее время в медицинской рентгенодиагностике все более широко внедряется микрофокусная рентгенография. Микрофокусным источником рентгеновского излучения называется источник с размером фокусного пятна рентгеновской трубки менее 100 мкм [1].
Очевидно, что при реализации микрофокусной рентгенографии резкость получаемого изображения значительно возрастает. В то же время повышение напряжения рентгеновской трубки (вызванное необходимостью компенсации низких значений тока электронного пучка — не более нескольких сотен микроампер для микрофокусных трубок) приводит к большей «жесткости» спектра, а значит, к некоторому снижению контраста теневого рентгеновского изображения.
В традиционной рентгенографии контраст получаемого изображения обусловлен распределением интенсивности (количества квантов) рентгеновского излучения или амплитудой электромагнитных волн за объектом. В этом случае используется понятие амплитудного контраста рентгеновского изображения.
На границе раздела сред отдельная падающая (первичная) волна меняет направление своего движения, при этом первичная и преломленная волны расположены в одной плоскости с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения, причем в более плотной среде преломленная волна отклоняется (удаляется) от нормали. Изменение направления движения первичной волны обусловлено изменением ее фазы, а амплитуда остается неизменной. Поэтому возникающий вследствие прелом-
ления излучения контраст изображения называется фазовым контрастом. Описанный фазоконтраст-ный механизм возникновения рентгеновского изображения имеет место при любом способе съемки, однако в традиционной рентгенографии основную роль играет амплитудно-контрастный механизм. Поэтому в случаях, когда объект состоит из деталей, близких по химическому составу или имеющих небольшой атомный номер материала, на обычных рентгеновских снимках эти детали мало различимы. Но именно для органических материалов и материалов с атомными номерами до 20 вероятность отклонения потока рентгеновского излучения поверхностным слоем тканей органа может быть в сотни и более раз выше, чем вероятность их поглощения. Соответственно благодаря использованию механизма фазового контраста может быть получено гораздо больше диагностической информации.
Возникновение фазового контраста в случае различного пространственного распределения потока рентгеновского излучения поясняет рис. 1.
Теоретически описанный фазоконтрастный механизм возникновения рентгеновского изображения в той или иной степени проявляется при любом способе съемки. Но в традиционной рентгенографии при формировании изображения основную роль играет амплитудный контраст — сказывается степенная зависимость коэффициента ослабления рентгеновского излучения от атомного номера материала (ц ~ 23), а также зависимость ослабления излучения от толщины и плотности деталей объекта просвечивания [2].
До недавнего времени для получения фазоконтрастных изображений использовались сложные рент-генооптические схемы, содержащие мощный источник излучения (рентгеновская трубка с вращающимся анодом или синхротрон), два и более кристалла-монохроматора, сканирующие устройства и т. д. [3]. Более простой и удобной в эксплуатации в настоящее время представляется бескристальная схема на основе современных микрофокусных источников рентгеновского излучения и цифровых устройств для визуализации изображения [4].
Примеры полученных снимков приведены на рис. 2-4.
№ 1(7)/2010"[
биотехносфера
Рис. 1 Механизм возникновения фазового контраста рентгеновского изображения: а — параллельный поток излучения (й = йи, ^ ~ б — ис-
точник излучения с протяженным фокусным пят-ном(й~ йи, г2 » гз, Jфк2« ^к^,' в — точечный (микрофокусный) источник излучения (й < йи);
1 — источник излучения; 2 — объект; 3 — плоскость изображения; 4 — распределение интенсивности; 5 — изображение объекта; 6 — темная оконтуривающая линия; 7 — светлая оконтуривающая линия; £ — область возникновения наблюдаемого фазового контраста; й — диаметр объекта; йи — диаметр изображения; Jфк — интенсивность фазоконтрастного сигнала
В условиях микрофокусной рентгенографии путем обоснованного выбора коэффициента увеличения изображения, характеристик приемника изображения (разрешающей способности и чувствительности), а также некоторых других параметров съемки эффект фазового контраста может быть в десятки раз усилен [5].
Однако, хотя полученные фазоконтрастные изображения по качеству отличаются от обычных примерно так же, как рентгеновские снимки сосудов и других мягких тканей, полученные с применением контрастирующих растворов от обычных (неконт-
Рис. 2\ Снимок фрагмента тест-объекта, имитирующего уплотнение
Рис. 3
Рентгеновский снимок фрагмента задней лапы кролика
Рис. 4\ Снимок фрагмента тест-объекта, имитирующего сосуд
растированных), т. е. количество информации увеличивается, все же для максимального извлечения ее из снимка требуется его дополнительная обработка.
Для повышения информативности фазоконт-растных снимков, получаемых с помощью микрофокусных источников, может быть предложен способ, поясняемый рис. 5.
Предлагаемый способ заключается в дополнительном выделении деталей изображения, возникновение которых обусловлено явлениями фазового контраста на фоне амплитудного контраста. Делаются два снимка объекта — микрофокусный и снимок по способу с протяженным фокусным пятном. Прочие условия, в том числе геометрическая схема съемки, остаются неизменными. На микрофокусном снимке (рис. 5, а) хорошо заметно явление фазового контраста. На снимке, сделанном с фокус-
биотехносфера
|№ 1(7)/2010
Рис. 5\ Принцип обработки фазоконтрастных изображений
Рис. 6
Снимок участка маммографического фантома (с 15-кратным прямым увеличением): а — микрофокусный снимок; б — результат обработки
Рис. 7
Снимок участка бедра кролика (с 10-кратным прямым увеличением): а — микрофокусный снимок; б — результат обработки.
ным пятном традиционного размера (рис. 5, б), явление фазового контраста не различимо. Далее снимки вычитаются один из другого. В областях, далеких от границ раздела двух сред, плотности почернения снимков одинаковы и их разность равна нулю (т. е. общий фон на рис. 5, в может быть белым или черным, в зависимости от того, как проводить операцию вычитания с математической точки зрения). В тех же областях изображения, которые соответствуют границам раздела сред, будет наблюдаться значительное повышение видимости изображения этих границ.
Пример реализации предлагаемого способа показан на рис. 6и7.
В результате проделанных экспериментов было получено практическое подтверждение возможности повышения информативности фазоконтрастных рентгеновских изображений путем обработки снимков.
Предлагаемый способ получения фазоконтрастных изображений с помощью микрофокусных источников излучения может иметь широкие перспективы при анализе микрофокусных рентгеновских
снимков мягких тканей — связок, сосудов и т. п., а с использованием дополнительной обработки снимков — позволит совершить качественный скачок в медицинской рентгенодиагностике мягких тканей.
| Л и т е р а т у р а |
1. Потрахов Н. Н. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения // Вестн. новых мед. технологий. 2007. Т. XIV, № 3. С. 167-169.
2. Блохин М. А. Физика рентгеновских лучей. М.: Гос. изд-во тех.-теор. лит-ры, 1953.
3. Кузьмин Р. Н. Рентгеновская оптика // Соросов. образоват. журн. 1997. № 2. С. 92-98.
4. Шовкун В. Я. Разработка фазоконтрастного маммографа в схеме «IN-Line holography». // Мед. физика. 2007. № 2 (34). С. 25-34.
5. Блинов Н. Н., Васильев А. Ю., Серова Н. С., Гряз-нов А. Ю., Потрахов Н. Н. Микрофокусный способ получения фазоконтрастных рентгеновских изобра-жений//Мед. техника. 2009. № 4. С. 5-9.
№ 1(7)/2010"|
биотехносфера