РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ

В новых технологиях все шире используются не полностью упорядоченные системы (не кристаллы). В то же время необходимо исследовать их структуру. Рентгеноструктурный анализ не годится.
Но можно использовать другие эффекты:
Отражение
Поглощение
Рассеяние

Если мы дадим волю своей фантазии и вообразим, что новый фотографический метод, использующий трубку Крукса, будет усовершенствован до такой степени, что только часть мягкотканых структур тела останутся прозрачными, и мы могли бы запечатлеть на фотопластинке слой, расположенный под ними, то такая возможность оказала бы неоценимую помощь в диагностике бесчисленных заболеваний, не связанных напрямую с костными структурами!
Цитата из газеты «Франкфуртер Цайтунг» от 7 января 1896 г.

An X-ray picture (radiograph) taken by Röntgen of Albert von Kölliker's hand
Print of Wilhelm Röntgen's (1845-1923) first x-ray, the hand of his wife Anna, presented to Professor Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896.
Wilhelm Conrad Röntgen
(March 27, 1845 – February 10, 1923)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1979
"for the development of computer assisted tomography"

Б.К. Вайнштейн

Метод обратного проецирования
Метод обратного проецирования

Расчет томограмм. Наиболее простыми для понимания алгоритмами реконструкции являются алгебраические, в которых N2 неизвестных компонент матрицы изображения размером N х N определяются из решения системы линейных уравнений. Для реконструкции больших матриц приходится использовать итерационные методы вычислений

Пусть μ(x) – коэффициент поглощения рентгеновских лучей объектом в точке x
Измеряется
Требуется найти
μ(x)

Спектр излучения рентгеновской трубки
Спектр поглощения рентгеновского излучения

Современные томографы
Медицинские томографы
(Siemens SOMATOM motion
0.5 x 0.8 mm)

В современных томографах используются кольцевые токосъемники со скользящим контактом, обеспечивающие непрерывный сбор данных. Фотография гентри во время сборки: слева видны кольцевые токосъемники, справа — внутренние компоненты измерительной системы (а). Схема кольцевых токосъемников: через них подается электропитание рентгеновской трубки и принимаются с детектора данные, которые затем передаются в модуль реконструкции изображений

Вращающаяся рентгеновская трубка в закрытой камере прочнее и обеспечивает прямое охлаждение задней поверхности анода. При этом максимальная мощность практически не изменяется, а паузы между включениями трубки значительно сокращаются (обычно до 20с). Схема (а) и фотография трубки Straton, умещающейся на ладони (б)

Современные микротомографы
Лабораторные установки
(SkyScan 1174 compact 6...30 µm)

Повышение разрешения лабораторной рентгеновской томографии и информативности экспериментальных данных

Выбор диапазона рентгеновского излучения

Реконструкции спинного мозга крыс на длине волны Mo Kα (λ=0,71 Å)
Реконструкции спинного мозга крыс на длине волны Сu Kα (λ=1,54 Å)

http://henke.lbl.gov/optical_constants/

Зависимость поглощённой дозы от длины волны зондирующего излучения при размере исследуемого объекта 10 мм
В.Е.Асадчиков, А.В.Бузмаков, Д.А.Золотов, Р.А.Сенин, А.С.Геранин. Лабораторные рентгеновские микротомографы на монохроматичном излучении. //Кристаллография, 2010, том 55, №1, с. 167 - 176

Созданные прототипы

Схема микротомогрофа с использованием линейного позиционно-чувствительного детектора
1- Рентгеновская трубка. 2 - Монохроматор.
3- Исследуемый объект. 4 - Линейный позиционно-чувствительный детектор

Дифрактометр ДРШ
1 – рентгеновская трубка,
2 – кристалл-монохроматор,
3,12 – коллимационная система,
4 – кольцевая опора рентгеновской трубки, 5 - кольцевая опора детектора,
6 – сцинтилляционный детектор,
7 – ось вращения кольцевых опор(4 и 5),
8 – исследуемый образец,
9 – держатель образца с юстировачным столом,
10 – рентгеновский пучок,
11 – линейный позиционно-чувствительный детектор,
13 – кристалл-анализатор.

Схема томографа с двумерным CCD-детектором
1 - Рентгеновская трубка. 2 - Монохроматор.
3 - Исследуемый объект. 4 - CCD-детектор

Опрос CCD-детектора
Фотон, попавший в полупроводник, порождает некоторое количество свободных электронов. Они накапливаются в имеющихся ямах. К ямам и интервалам между ними подключены электроды, которые могут вызывать такое изменение потенциала, что электроны перетекают в соседние ячейки по последней строке, затем строки сдвигаются. Считывание (измерение заряда) происходит в одной, крайней, ячейке в последней строке.

Эпифиз человека

Секреторная активность пинеалоцитов в эпифизе человека при циркадианном ритме
СЕРОТОНИН
МЕЛАТОНИН
N-Ацетил-5-гидрокситриптамин
N-Ацетилтрансфераза
Гидроксииндол-0-метилтрансфераза
S-100 + 2 Ca
S-100 + 2 Ca
S-100 + 2 Ca
S-100 + 2 Ca

Эпифиз здорового человека
Масштаб – произв. единицы (10 ед. – 1 мм)

Эпифиз при болезни Альцгеймера
Масштаб – произв. единицы (10 ед. – 1 мм)

Эпифиз при шизофрении

Эпифиз здорового человека

Рентгеновская линза
1 – диафрагма
2 – капилляр
3- полимер
Внутренний диаметр капилляра 0.8 мм
Количество пузырьков 67
Фокусное расстояние для CrKα - 95 мм, а для линии CuKα 180 мм.

Микротомограф с рентгеновской линзой

Увеличение с помощью ассиметричного кристалла
Известно, что при асимметричном брэгговском отражении происходит изменение линейных размеров отраженного пучка b по сравнению с падающим a. В рамках геометрической оптики их отношение определяется выражением:
где α‑ угол падения, а β‑ отражения.

Микротомограф с применением двух асимметричных совершенных кристаллов
1- Рентгеновская трубка. 2- Исследуемый объект. 3,4 – асимметричные кристаллы 5- CCD детектор

Однолетний самец сибирского углозуба
(Salamandrella keyserlingii).
Для биологов этот тритон примечателен тем, что имеет самый северный ареал обитания. Дополнительного контрастирования не применялось.
1D-детектор,
Время проведения эксперимента 1 неделя
2D-детектор,
Время проведения эксперимента 1,5 часа

Геккон Pachydactylus bibroni

Примеры исследованных объектов
Объемные изображения:
а - зерновка ячменя сорта «Скарлет»,
b – вид зерновки после проращивания ее на солод (корешки удалены)

Поперечные срезы зерновки солода сорта «Скарлет» до и после проращивания ее на солод: а,e – основание зерновки, b,f – средняя часть зародыша зерновки, c,g – средняя часть эндосперма зерновки. d, h – поперечное сечение

Зонды для дренирования ЖКТ и энтерального питания (катетеры)

Проблема пластификаторов
Скорость миграции пластификатора (эксперимент)

Поглощение катетерами излучения разной энергии

Геккон Pachydactylus bibroni
Фотография геккона
Реконструкция челюсти
геккона

Томографическая реконструкция
зубов геккона

Увеличенное изображение зуба
х1
х2
х20

Рабочий диапазон по шкале Хаунсфельда
KT-число =(μT- μH20)/ μ H20 *1000 HU

Современные микротомографы
Использующие в качестве источника излучения синхротрон или источники с вращающимся анодом
(XRADIA nanoXCT, 50 nm с применением зонной пластинки)

Зонная пластинка
www.xradia.com

Томография клетки
http://www.nature.com/materials/news/newsandviews/060810/442642b_f2.html