CC BY
187
РЕФРАКЦИОННАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ИНТРОСКОПИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ: ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ОНКОЛОГИИ, АНГИОГРАФИИ, ОРТОПЕДИИ
К.М. Подурец*, Д.К. Погорелый Российский научный центр «Курчатовский институт», Москва 123182, пл. Акад. Курчатова д.1 * podurets@isssph.kiae.ru
Представлены работы по рентгеновской рефракционной интроскопии на Курчатовском источнике синхротронного излучения. Приведены примеры рефракционных изображений, полученных на модельных объектах и животных. Показано, что рефракционная интроскопия обладает значительно лучшей информативностью по сравнению с традиционным методом рентгеновской диагностики.
Главной трудностью традиционной рентгеновской диагностики является низкая мягкотканевая чувствительность, из-за которой, например, раннее обнаружение новообразований практически неосуществимо, а наблюдение кровеносных сосудов требует введения контрастных веществ, наносящих вред здоровью пациента. Эта трудность возникает из-за малых вариаций плотности в мягких тканях, приводящей к малым вариациям интенсивности прошедшего излучения. Поэтому актуальной задачей является разработка методов рентгеновской интроскопии, обладающим повышенной чувствительностью к малым вариациям плотности. Таким методом является рефракционная интроскопия, в которой основную роль в формировании контраста играет преломление лучей в объекте.
Идея рефракционной интроскопии состоит в следующем [1]. Рентгеновские лучи, проходящие через объект со сложным внутренним строением, преломляются на границах раздела, причем для мягких биологических тканей средние углы отклонения составляют доли угловых секунд. При использовании рентгенооптической схемы с угловым разрешением того же порядка преломление оказывает существенное влияние на формирование изображения объекта прошедшим через него пучком. Таким свойством обладает двухкристальный спектрометр на совершенных кристаллах, в котором первый кристалл формирует коллимированный пучок, а второй кристалл является угловым анализатором. При высоком совершенстве кристаллов угловое разрешение двухкристального спектрометра определяется динамической дифракцией рентгеновских лучей и может составлять величину порядка долей угловой секунды. Вследствие низкой светосилы метода в настоящее время он может быть реализован с временами экспозиции порядка секунды только на источниках синхротронного излучения (СИ).
В России единственным специализированным источником СИ в рентгеновском диапазоне является Курчатовский источник СИ. Одной из станций, созданных в этом центре, является многофункциональная станция «Медиана», предназначенная для развития неабсорбционных (рефракционных и фазоконтрастных) методов интроскопии для медицинской диагностики, кроме того, на станции проводятся работы по дефектоскопии, топографии и дифрактометрии.
В двухкристальном спектрометре, предназначенном для работ по рефракционной интроскопии на станции «Медиана», в качестве первого кристалла использована пластина кремния с отражающими плоскостями (511), имеющими угол с поверхностью 16°. Брэгговский угол равен 20°, что соответствует длине волны 0,071 нм и £=17,4 кэВ, степень асимметрии ß~9. Использование асимметричной геометрии дифракции позволяет получить пучок большого поперечного сечения, в нашем случае максимальный размер составляет около 9^3 см. В качестве второго кристалла использована пластина кремния с
симметричным брэгговским отражением (333), бездисперсионным по отношению к отражению первого кристалла. Функция разрешения двухкристального спектрометра представляет собой свертку дифракционных кривых первого и второго кристаллов с шириной на половине ее высоты 0,6". Кристаллы установлены на дистанционно управляемые юстировочные механизмы с приводами от шаговых двигателей и пьезопреобразователей. В качестве детекторов используются цифровые ПЗС-камеры и система Imaging Plate, пространственное разрешение метода составляет около 10 мкм.
Рис.1. Схема эксперимента: 1-падающий пучок, 2,3 -кристаллы, 4 - исследуемый объект, 5-детектор.
Благодаря высокой чувствительности рефракционного метода к определению включений, мало отличающихся по плотности от окружающих тканей, одним из наиболее перспективных направлений медицинского применения рефракционной радиографии на СИ является выявление новообразований (например, маммография). Объектами поиска маммографии являются либо микрокальцинаты, т.е. мелкие частицы соединений кальция, кальцинированные каналы, либо опухоли, отличающиеся по плотности от окружающих тканей. Для аттестации маммографических установок используют стандартизованные фантомы, представляющие собой восковую матрицу с залитыми в нее модельными объектами. На станции «Медиана» были проведены рефракционные съемки такого фантома [2]. Предварительно была произведена его съемка на стандартном медицинском маммографе Phillips. Видно, что рефракционным методом уверенно обнаруживаются даже самые мелкие включения, которые не видны при абсорбционной маммографии, а более крупные на рефракционном изображении видны значительно более контрастно (рис.2).
Рис.2. Рефракционные изображения трех фрагментов фантома с наименьшими включениями (микрокальцинаты, кальцинированные каналы, опухоль). Все три включения, несмотря на малый размер, уверенно различаются.
Для исследования возможностей метода для диагностики иных новообразований совместно с МНРЦ РАМН были проведены эксперименты по получению рефракционных изображений раковых опухолей, привитых
лабораторным крысам в заднюю конечность. Были произведены съемки крыс с четырехдневной опухолью и недельной опухолью. Четырехдневная опухоль была уверенно выявлена, несмотря на ее малые размеры (рис.3а). На снимке лапы крысы с 2-х недельной опухолью хорошо видна «рыхлая» структура новообразования (рис.3б).
Рис.3. Рефракционные изображения голени крысы с 4- дневной (а) и 14-дневной (б) раковой опухолью
Также были проведены эксперименты по получению изображений сосудов
без введения контрастных агентов на модельных объектах. В данном случае
исследовалось сердце индейки, погруженное в физиологический раствор. Из
полученного изображения видно, что с помощью рефракционной радиографии
возможно наблюдение сосудов без
дополнительного контрастирования (рис.4).
Совместно с ЦИТО им. Приорова
проведено исследование динамики перестройки
костного аллотрансплантата и способности
деминерализованного аллотрансплантата влиять на
процесс репарации. Эксперимент проводился на
животных, в эксперименте использовались 42
самки крыс. В средней трети большеберцовой
кости крыс производился дефект размером 1 см,
который в последующем замещался
аллотрансплантатом разной степени
Рис.4. Рефракци°нн°е изображе- деминерализации. После некоторого периода
ние фратенга сердца инд™ в репарации задние конечности животных физрастворе. Стрелками указаны „
подвергались комплексному исследованию. Для
визуализации границ между трансплантатом и собственной костью животного
использовался метод рефракционной интроскопии на станции «Медиана»
Курчатовского источника синхротронного излучения. В результате исследования
были получены предварительные данные, свидетельствующие о различном
влиянии степени деминерализации на полную или частичную перестройку
аллотрансплантата. Качество полученных изображений значительно превышало
качество изображений, полученных в ЦИТО стандартным рентгеновским методом
(рис.5). Полученные изображения позволили детально изучить структуру
исследуемого объекта, визуализировать зону перехода между трансплантатом и
собственной костью животного.
Рис.5. Рефракционные (а,в) и абсорбционные (б,г) изображения двух фрагментов задних конечностей крыс с аллотрансплантантами.
Поскольку контраст на рефракционных изображениях значительно превосходит абсорбционный, применение рефракционной интроскопии на высоких энергиях дает возможность существенного снижение дозовой нагрузки на пациента. Таким образом, развитие рефракционной интроскопии для медицины дает чрезвычайно чувствительный высокоразрешающий метод диагностики, открывающий для нее новые возможности, например, раннюю диагностику онкологических заболеваний, и др.
1. К.М.Подурец, В.А.Соменков, С.Ш.Шильштейн, ЖТФ 1989. Т. 58. №6. с.115.
2. А.А.Манушкин, В.Г.Недорезов, Д.К.Погорелый, К.М.Подурец, В.А.Соменков, С.А.Щетинкин, Медицинская физика 2005 №3 с.34.
X-RAY REFRACTION IMAGING FOR MEDICAL DIAGNOSTICS: POSSIBILITIES IN ONCOLOGY, ANGIOGRAPHY AND ORTHOPAEDY
K.M. Podurets * and D.K. Pogoreliy Russian Research Centre "Kurchatov Institute", Moscow 123182, 1 Acad. Kurchatov Sq. podurets@isssph.kiae.ru
Studies on the X-ray refraction imaging at the Kurchatov Synchrotron Radiation Source are presented. Examples of images of the model objects and animals are shown. Better comprehension of the refraction images as compared with the conventional x-ray imaging is demonstrated.
