Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0198

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0198
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Разработка прототипа рентгеновского томографа для диагностики слабопоглощающих/фазовых объектов
Докладчик
Потылицын Александр Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка новых методов и инструментария проведения исследований внутренней структуры искусственных и биологических объектов с возможностью визуализации на различных масштабах и высоким качеством изображений, которое включает в себя высокое разрешение, оптимизированный контраст и широкий угол обзора, что необходимо для получения информации на уровне органов, тканей и клеток. В частности, разработка и изготовление лабораторного томографа на основе рентгеновского Тальбот интерферометра.
Актуальность и новизна исследования
Абсорбционные методы рентгеновской визуализации являются бесценными инструментами в медицинской диагностике и материаловедении. Однако изучение структуры биологической ткани, полимеров или волокнистых композитов ограничивает использование традиционной рентгеновской радиографии из-за их слабого поглощения. До настоящего времени визуализация слабопоглощающих/фазовых объектов была возможна только с использованием весьма ярких источников, например, синхротронов или микро-фокусных трубок с применением фазочувствительных методов визуализации для улучшения контрастности. С развитием методов литографии и рентгеновской оптики сегодня становится возможным получение качественных изображений слабопоглощающих/фазовых объектов с помощью методов дифференциального фазового контраста на обычных рентгеновских трубках, стоимость которых на порядок ниже острофокусных. В отличие от существующих методов, метод дифференциального фазового контраста не требует пространственной или временной когерентности, устройство в целом не ограничено пространственными размерами и может быть расширено до больших полей зрения. Метод применим к рентгеновской медицинской визуализации, промышленному неразрушающему контролю, а также к другим устройствам с низкой яркостью источников, например, нейтронные исследования.
Описание исследования

Абсорбционный, флуоресцентный и фазово-контрастный методы визуализации уже получили широкое использование в медицинских исследованиях, в том числе ангиография с использованием краёв поглощения, ангиогенезис опухолей, визуализация лёгких, визуализация мозжечковой структуры, раковых поражений, остеопороза и так далее.

Тем не менее, большинство биологических систем требуют применения различных механизмов контрастности. Даже изучение костей становится затруднительным при установленном имплантате. Например, имплантаты, основанные на гидроксиапатите, невозможно отличить ни от корковой, ни от трабекулярной костной ткани из-за их химической схожести, а, следовательно, почти одинаковом коэффициенте поглощения; в таких ситуациях применяется спектроскопические исследования. Пористые и полимерные скаффолды не всегда обладают достаточным контрастом при рентгеновских исследованиях, поэтому необходимо добавлять в них контрастные атомы с большим поглощением. Часто используется такой высокотоксичный элемент как гадолиний, его высокая токсичность ограничивает возможности рентгеновской компьютерной томографии.

Одним из перспективных решений проблем является применение технологий, основанных на дифференциальном фазовом и темнополевом контрастах.

В проекте предлагается разработка и изготовление лабораторного томографа нового поколения. Лабораторная установка данного типа позволит проводить исследования пространственной структуры объектов в рентгеновском диапазоне с использованием нескольких контрастов: традиционные – абсорбционный и фазоконтрастный,  новые – дифференциального фазового контраста и темнополевой. Комбинация методов позволяет получить не только дополнительную информацию о структуре, но и значительно расширяет область возможных исследований. Так, например, метод дифференциального фазового контраста позволит проводить изучение полимеров, процессов восстановления хрящей и др. непрозрачные объекты с низким коэффициентом поглощения (фазовые объекты), которые до настоящего времени могли исследоваться только на синхротронах.

Согласно проведенным поисковым научно-исследовательским работам и теоретическим оценкам, уровень техники уже позволяет производить необходимые оптические элементы для изготовления Тальбот интерферометра в рентгеновском диапазоне. Основными узлами устройства являются интерференционные решетки (абсорбционные и фазовые), оптомеханика, источник излучения и система сбора/обработки данных. Интерференционные решетки с необходимым периодом порядка нескольких микрон изготавливаются методами ультрафиолетовой литографии. Пьезомеханика позволяет позиционировать оптические элементы с нанометровой точностью. Стабильность современных источников рентгеновского излучения лучше 0,1%, а производительность персональных компьютеров с использованием графических ускорителей позволяет проводить реконструкцию топограммы в реальном времени.

Основными задачами проекта являются:

- разработка технических предложений по изготовлению Тальбот интерферометра в рентгеновском диапазоне;

- разработка технических решений по изготовлению лабораторного томографа на основе Тальбот интерферометра;

- изготовление лабораторной установки;

- разработка электронной системы управления устройством, сбора и обработки данных;

- разработка математических моделей фильтрации изображений;

- разработка алгоритмов и кодов обработки абсорбционных, фазо-контрастных изображений и реконструкции на их основе томограмм;

- разработка алгоритмов и кодов обработки дифференциальных фазо-контрастных, темнополевых изображений и реконструкции на их основе томограмм;

- проведение модельных экспериментов с целью определения основных характеристик установки;

- проведение прикладных исследований по визуализации слабопоглощающих/фазовых объектов.

- проведение испытания устройства в целом.

Результаты исследования

1. Проведены аналитический обзор и патентные исследования.

2. Изготовлен и испытан стендовый образец программно-аппаратного комплекса (АПК) для проведения, запланированных исследований.

3. Разработана архитектура управляющей и быстродействующей измерительной системы АПК, обеспечивающая масштабирование количества контролируемых параметров и настройку разрешающей способности в широком диапазоне.

4. Разработаны базовые алгоритмы работы АПК, обеспечивающие широкий набор режимов работы устройства, а также автоматическое сканирование слабопоглощающих/фазовых объектов и реконструкцию томограмм.

5. Новыми научными результатами проекта являются: способ организации распределенной измерительной системы рентгеновского томографа, архитектура системы управления томографом.

Практическая значимость исследования
Областью применения разработки является: неразрушающий контроль, рентгеновская компьютерная томография и все области деятельности, связанные с контролем качества и безопасностью - таможня, пищевая, нефтегазовая, химическая промышленности и др., в том числе, научные исследования композитных и фазовых объектов, используемые для разработки новых материалов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут применяться и для создания новых высокотехнологичных приборов.
Разрабатываемые в рамках проекта технические средства, алгоритмы и программное обеспечение обладают перспективой отдельного практического применения в высокотехнологичных приборах.
Преимущества предложенного технического решения:
- в первую очередь, заключаются в высоком экономическом эффекте за счет сокращения себестоимости томографа в целом из-за уменьшения стоимости источника излучения в 5-7 раз;
- в сочетании с современными детекторами, динамический диапазон которых теоретически не ограничен, значительно расширяется область применения рентгеновских компьютерных томографов, например, становится возможным большую часть исследований перенести в небольшую лабораторию, которые ранее проводились на источниках синхротронного излучения;
- пространственная разрешающая способность предложенного технического решения будет на уровне 25-100 мкм.
Постер

NZH-2735428.ppt