Автор: Бушуев В. А.

Доктор физико-математических наук В.А. БУШУЕВ, физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

В 1991 г. российские ученые разработали и запатентовали новый способ получения рентгеновских снимков слабопоглощающих объектов, в том числе медико-биологических. Рентгеновские лучи, открытые немецким ученым В. К. Рентгеном в 1895 г., широко применяют ныне в самых разных областях науки и техники, и очень широко - в медицинской практике. В последнем случае используют их способность проходить через вещество и частично поглощаться им. В результате можно не только рассмотреть внутренние органы пациента, но и сфотографировать их.

АБСОРБЦИОННЫЙ КОНТРАСТ

По сути рентгеновские лучи представляют собой жесткое электромагнитное излучение с длиной волны, равной приблизительно 1A (10 ^-8 см). Наиболее распространенным их источником является рентгеновская трубка - прибор, представляющий собой продолговатый стеклянный сосуд длиной 30-40 см с откачанным из него воздухом. На одном его конце находится нить накаливания (катод), на другом - массивный анод из какого-нибудь тугоплавкого металла (медь, молибден, серебро, вольфрам). Напряжение, прикладываемое к нему, зависит от материала и варьируется от 30 до 100 тыс. В и более. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются сильным электрическим полем между электродами и с околосветовой скоростью бомбардируют анод. Его атомы возбуждаются, образуя рентгеновское излучение (состоящее из так называемого тормозного - с широким спектром, и характеристического - с узким), которое выходит из трубки через специальное окно.

При просвечивании исследуемого объекта интенсивность излучения снижается, преобразуясь во внутреннюю энергию вещества в результате возбуждения и ионизации его атомов и молекул. Степень ослабления мощности лучей зависит от коэффициента поглощения и толщины предмета, который преодолевает пучок. При этом коэффициент поглощения прямо пропорционален плотности вещества и кубу длины волны рентгеновского излучения.

Эти характеристики и были использованы для изучения внутрен-

стр. 19

Типичная схема абсорбционной рентгеноскопии: 1 - источник рентгеновского излучения; 2 - фильтр; 3 - пучок рентгеновских лучей; 4 - исследуемый объект; 5 - фотопленка.

него строения объектов в самых различных областях науки - материаловедении, физике полимеров, биофизике, биологии, медицине. Традиционный метод изучения таких непрозрачных в видимой области спектра предметов - абсорбционная рентгеноскопия. В ее основе лежит анализ пространственного распределения интенсивности излучения, прошедшего через вещество и ослабленного в нем в результате поглощения. Далее рассмотрим только способы исследования организмов животных и человека.

Типичная схема абсорбционной рентгеноскопии (рентгенографии, интроскопии) выглядит так: лучи, проходя через специальный, селективно поглощающий фильтр (для исключения ненужной длинноволновой части спектра), падают на объект, частично преодолевая его, и попадают на фотопленку. На полученных снимках хорошо выделяются светлые места, соответствующие плотным костным образованиям, коэффициент поглощения рентгеновских лучей которых высок, и темные или темно-серые участки, показывающие расположение мягких тканей. Но ведь последние вовсе не однородны. В них находятся кровеносные сосуды, нервные волокна, лимфатические узлы и т.д. А что уж говорить о таких жизненно важных органах, как сердце, печень, легкие и др., имеющих свою внутреннюю структуру, состоящую из пусть мелких (до долей миллиметра), но чрезвычайно важных "деталей".

Выходит, абсорбционная методика не пригодна при исследовании практически однородных по плотности органов. Это связано как со слабым различием их коэффициентов поглощения, так и с малой величиной контраста ^* изображения мелких объектов или фрагментов. Иными словами, почернение на фотопленке на 99% будет отражать прошедшее излучение и лишь 1 % даст полезную информацию, что, конечно, не может удовлетворить диагностов.

Правда, существуют два способа исправить положение. Первый связан с увеличением времени экспозиции, что совершенно неприемлемо для живых организмов, поскольку при этом значительно повышается доза поглощаемого ионизирующего рентгеновского излучения. Второй метод заключается во введении в кровь пациента рентгеноконтрастных веществ на основе солей бария или растворов йодсодержащих соединений. Тогда из-за большого коэффициента поглощения бария и йода кровеносная система выявляется гораздо рельефнее, что позволяет, скажем, обнаружить участки сужения сосудов из-за отложения на их внутренних стенках атеросклеротических бляшек или образования тромбов. Однако и это ведет к увеличению рентгеновских доз. Кроме того, контрастирующие вещества далеко не безвредны для человека, а некоторые пациенты их вообще не переносят, что может привести к летальному исходу.

А теперь кратко остановимся на воспринимаемых больными дозах радиации, которые определяются отношением поглощенной энергии к массе облучаемого вещества и могут быть оценены по воздействию на живой организм. По данным Научно-производственного объединения "Радон" естественный фон радиации составляет 7-14 мкР/ч, т.е. 60- 120 мР/год, а допустимой считается доза 500 мР/год. Много это или мало? Для сравнения скажем: за один сеанс флюорографии пациент получает 60 мР, а при рентгеноскопии - 500 мР. Отсюда ясно, что в рентгеновский кабинет лучше попадать не чаще одного раза в год.

ФАЗОВЫЙ КОНТРАСТ

Как ни вреден для живого организма данный способ исследования, однако альтернативы ему, казалось, нет. Так ли это? Для ответа на поставленный вопрос рассмотрим некоторые физические особенности взаимодействия рентгеновских лучей с различными объектами.

О поглощении мы уже говорили. Однако существует еще одно очень важное свойство лучей, известное давно, но не находившее до сих пор применения: при прохождении из одной среды в другую их направление меняется на определен-

^* Контраст в данном случае - отношение максимальной разности почернения различных участков изображения изучаемого объекта на фотопленке к среднему его уровню (прим. авт.).

стр. 20

Схема интроскопии с использованием фазового контраста: а - по Лауэ; b - по Брэггу; 1 - источник рентгеновского излучения; 2 - кристалл-монохроматор; 3 - пучок параллельных рентгеновских лучей; 4 - исследуемый объект; 5 - кристалл-анализатор; 6 - Т- пучок; 7 - R-пучок; 8 - фотопленка.

ный угол, величина которого зависит от многих факторов. Прежде всего от коэффициента преломления, определяемого свойствами сред (материал, плотность), затем направления падения первичного луча, положения точки, куда он попадает, и формы объекта.

Среди перечисленных факторов не указан чуть ли не самый главный - длина волны падающего пучка. У рентгеновских лучей, как уже говорилось, она очень мала, что приводит к углам преломления на уровне единиц и долей угловой секунды. Для наглядности скажем: последняя равна углу, под которым наблюдатель видит спичечную головку, расположенную на расстоянии 400 м. Долгое время такое явление считали бесперспективным и не имеющим практического значения для изучения внутренней структуры объектов, главным образом из-за сложности выделения очень малых углов преломления.

Однако в 1991 г. практически одновременно и независимо друг от друга российские физики В.А. Соменков, С.Ш. Шильштейн и др. (Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова, ныне Российский научный центр "Курчатовский институт") и В.Н. Ингал, Е.А. Беляевская (Научно-производственное объединение "Буревестник", Санкт-Петербург) предложили и реализовали новый метод интроскопии, основанный на явлении преломления (рефракции) рентгеновских лучей. Исходили они из того, что последние представляют собой электромагнитные волны, длины которых сравнимы с межплоскостными расстояниями в кристаллах. Отражение излучения от атомных плоскостей происходит так же, как в оптике, только в данном случае плоскости играют роль множества идентичных "зеркал", параллельных друг другу и поверхности кристалла. Отраженные от них волны интерферируют между собой и, оказывается, существуют углы падения, называемые углами Брэгга (по имени открывшего их в 1912 г. английского физика), при которых наблюдается сильное дифракционное ^* отражение. Проще говоря, при определенном сочетании длины волны, периода кристалличес-

^* Дифракция рентгеновских лучей - их рассеяние кристаллическими объектами, при котором в определенных направлениях появляются дифрагированные пучки - результат интерференции вторичного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии первичного излучения с электронными оболочками атомов (прим. ред.).

стр. 21

стр. 22

кой решетки и угла Брэгга можно на фотопленке зафиксировать отраженный луч.

Существует еще одна схема, предложенная в 1912 г. немецким физиком, впоследствии иностранным почетным членом АН СССР М. Лауэ, позволяющая также "ловить" дифрагированные пучки, причем не один, а два. Дело в том, что в этом случае атомные плоскости-"зеркала" располагаются перпендикулярно поверхности кристалла, и рентгеновские лучи, преодолевая его границу, делятся уже на два пучка - проходящий (Т-пучок) и отраженный (R-пучок), которые также поддаются регистрации.

Однако для реализации обеих схем необходимы кристаллы с высочайшей степенью совершенства их структуры. В природе таковых нет, но современные технологии позволяют производить практически идеальные монокристаллы кремния, германия, арсенида галлия и ряд других. Как же с их помощью можно фотографировать изображения невидимых частей объектов, используя явление преломления?

Излучение из рентгеновской трубки проходит через так называемый кристалл-монохроматор, который выделяет узкий спектральный (характеристический) пучок и преобразует его в почти параллельный и затем направляет на исследуемый объект, где он и преломляется. Причем величины углов преломления в разных точках зависят от внутренней структуры объекта, т. е. трехмерного распределения в нем вещества. Далее лучи падают на кристалл-анализатор и, отражаясь от него (по Брэггу) или проходя насквозь,

стр. 23

при этом делясь на Т- и R-пучки (по Лауэ), фиксируются на фотопленке.

Для лучшего понимания процесса формирования изображения рассмотрим три параллельных луча. Допустим, один из них вообще прошел мимо объекта, а два других отклонились на разные углы в зависимости от плотности вещества, встретившегося на их пути. И как бы эта плотность ни была мала и, следовательно, луч преломлялся всего на десятые и даже сотые доли угловой секунды, все будет зафиксировано практически со 100%-ным контрастом, т.е. любые мелкие детали внутреннего строения объекта на фотографии будут видны очень четко.

У нового метода есть и еще одно очень важное преимущество. Как уже говорилось, коэффициент поглощения рентгеновского излучения веществом пропорционален кубу длины волны, а углы преломления - только квадрату. Это обстоятельство позволяет снизить дозы поглощаемой организмом радиации в несколько десятков и даже сотни раз при резком повышении контраста и информативности рентгеновских снимков.

Нетрудно заметить, что новый способ интроскопии отличается от традиционного всего лишь добавлением двух кристаллов - монохроматора, расположенного перед пациентом, и анализатора - сзади него. Единственная сложность - их нужно устанавливать на специальные гониометрические устройства, позволяющие поворачивать кристаллы с высокой точностью на требуемые углы (они уже давно применяются в рентгеновской дифрактометрии).

Рассмотрим несколько конкретных результатов, полученных в ходе первых опытов, проведенных В.Н. Ингалом и Е.А. Беляевской. Они сначала сделали рентгеновские снимки аквариумной рыбки длиной 4 см абсорбционным методом. И зафиксировали лишь ее позвоночник, ребра, плавники, некоторые размытые детали головы; все остальное выглядело черно-серым фоном. На снимках той же рыбки, выполненных с использованием метода фазового контраста, все выглядит иначе. Здесь уже хорошо наблюдаются детали строения головы, язык, нос и рот, а также воздушные пузыри. Кроме того, ясно обозначен нервный столб, идущий вдоль позвоночника, место его соединения с головным мозгом, и даже мелкий червячок, проглоченный рыбкой перед экспериментом.

Второй пример еще более убедителен. На традиционном изображении белой мыши просматриваются только позвоночник и ребра, да и то не очень четко. Зато на фазоконтрастных снимках, сделанных в Т- и R-пучках, хорошо видны артерии (грудная и брюшная аорта, наружная подвздошная), другие более мелкие кровеносные сосуды и нервы, а также лимфатические протоки, узлы и т.д., причем последние детали никакими другими методами пока зафиксировать просто нельзя. Полученное изображение поражает четкостью и рельефностью. Создается ощущение, что мы наблюдаем срез, сделанный скальпелем.

Большую надежду врачи возлагают на рентгеноскопию для выявления злокачественных образований на ранней стадии. Обычный абсорбционный метод не всегда справляется с этой задачей. И вот в 1997 г. были получены первые результаты по обнаружению аденокарциномы молочной железы размером 10х15 мм методом фазоконтрастной маммографии. Оказалось: изображение опухоли по качеству близко к соответствующему оптическому снимку с гистологического среза толщиной 3-5 мкм. Последнее обстоятельство позволяет без операции проследить характер морфологических изменений новообразованных тканей и распространения метастазов. На других снимках удалось выявить опухоли размером до 1 мм и уплотнения с включением кальция (микрокальцинаты) до 25 мкм.

Для лучшего понимания интроскопии я ограничился ее описанием "языком" геометрической оптики, что справедливо при исследовании объектов с размером внутренних деталей не менее 100 мкм. В общем же случае необходимо оперировать более строгим понятием - фаза волны, поэтому и утвердился такой термин как "рентгеновский фазовый контраст". Причем с появлением новых интенсивных источников рентгеновского синхротронного излучения фазоконтрастные изображения объекта можно получать даже без кристалла-анализатора, что очень удобно при изучении объектов размерами 1- 100 мкм. Впервые это реализовал в 1996 г. кандидат физико-математических наук А.А. Снигирев с коллегами (Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка) при получении рентгеновских голограмм тонких органических волокон с использованием высококогерентного ^* пучка синхротронного источника ESRF (Гренобль, Франция).

До сих пор мы рассматривали применение метода рентгеновского фазового контраста в биологии и медицине. Однако он пригоден и для исследования полимерных и композитных материалов и изделий из них, а также в фазоконтрастной дефектоскопии.

^* Когерентность - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов (прим. ред.).

Иллюстрации предоставлены В. Ингалом и Е. Беляевской

Permanent link to this publication: