Obrazowanie układów złożonych techniką rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej z uwzględnieniem kontrastu zmiany fazy

Abstract

Obserwacja i analiza struktur wewnętrznych obiektów obrazowanych techniką rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej możliwa jest, dzięki różnicy masowego współczynnika absorpcji lub współczynnika załamania promieniowania rentgenowskiego w badanych obszarach próbki. W obrębie danego typu tkanki różnica masowych współczynników absorpcji promieniowania X może być niewielka, co utrudnia obserwację szczegółów danej struktury. Głównym celem rozprawy doktorskiej było: zmodernizowanie i zoptymalizowanie układu obrazowania rentgenowskiego, opracowanie metody absorpcyjnego obrazowania rentgenowskiego pozwalającej na poprawę kontrastu między obrazowanymi strukturami obiektów biologicznych oraz wyznaczenie metody pozwalającej na obserwację sygnału wzmocnienia krawędziowego powstałego poprzez refrakcję wiązki promieniowania rentgenowskiego na krawędziach badanej próbki. Szczególnym celem pracy było udowodnienie tezy, iż zmieniając energetyczne widmo emisyjne polichromatycznego źródła twardego promieniowania rentgenowskiego uzyskuje się obrazy absorpcyjne cechujące się poprawą kontrastu między strukturami. Można także zaobserwować sygnał wzmocnienia krawędziowego. Rozdział 3 rozprawy obejmuje podstawowe zagadnienia teoretyczne z dziedziny mikrotomografii komputerowej. Opisano w nim właściwości promieniowania rentgenowskiego oraz sposoby jego oddziaływania z materią. Omówiono matematyczne podstawy algorytmów rekonstrukcji obrazu tomograficznego i przedstawiono podstawowe metody określania kontrastu obrazu. W Rozdziale 4 rozprawy opisano modernizację oraz optymalizację stosowanego układu obrazowania rentgenowskiego. Pokazano procedurę minimalizacji rozmiarów ogniska wiązki elektronów na anodzie lampy rentgenowskiej, co pozwoliło na uzyskanie przestrzennej zdolności rozdzielczej układu wynoszącej 2 . Zaprezentowano zmodernizowany system pozycjonowania próbki oraz system detekcji promieniowania X. Dzięki pracom związanym z modernizacją układu udało się uzyskać i przedstawić autorską metodę określenia powiększenia geometrycznego układu obrazowania. W Rozdziale 5 przedstawiono wyniki badań dotyczące opracowania autorskiej metody absorpcyjnego obrazowania rentgenowskiego. Określono zamodelowany sygnał zmiany rejestrowanej intensywności obrazów rentgenowskich wynikającej ze zmiany napięcia przyspieszającego źródła i porównano go z wynikami eksperymentalnymi. Na podstawie uzyskanych wyników wyznaczono w sposób fenomenologiczny funkcję opisującą zmianę intensywności w zależności od napięcia przyspieszającego lampy rentgenowskiej. Pokazano również interpretację fizyczną znalezionej funkcji oraz cechy wyznaczonych parametrów funkcji. Rozdział 6 przedstawia analizę zmiany intensywności wzmocnionego sygnału krawędziowego w funkcji napięcia przyspieszającego lampy rentgenowskiej. W oparciu o przeprowadzoną analizę wyznaczono funkcję zmiany amplitudy wzmocnionego sygnału krawędziowego w zależności od napięcia lampy, dzięki której opracowano jakościową metodę wyznaczania obrazów rentgenowskich uwzględniających kontrast zmiany fazy. Na podstawie wyznaczonych metod przeprowadzono obrazowanie rentgenowskie obiektów biologicznych zbudowanych z pierwiastków lekkich oraz obiektów charakteryzujących się małą różnicą współczynników absorpcji promieniowania X. Dzięki wyznaczonym metodom udało się osiągnąć absorpcyjne rekonstrukcje rentgenowskie cechujące się lepszym kontrastem w porównaniu do konwencjonalnej techniki obrazowania. Udało się także uzyskać obrazy rentgenowskie uwzględniające kontrast zmiany fazy.

Observation and analysis of internal structures of objects imaging by X-ray computed microtomography method is possible due to difference of X-ray mass absorption coefficient or refraction index in studied parts of sample. The difference of X-ray mass absorption coefficient can be slight in part of given tissue type, which makes it difficult to observe structure details. The main goals of PhD thesis were: modernization and optimization of X-ray imaging system, development of the method of X-ray absorption imaging which allows to improving the contrast between imaged structures of biological objects and determination of a method allowing the observation of enhancement edge signal generated by the X-ray beam refraction at the edges of tested sample. Specific purpose of the work was the proof of thesis that by changing the energetic emission spectrum of the polychromatic source of hard X-ray radiation, we can obtain absorption images which improve the contrast between structures. We can also observe the edge enhancement signal. Chapter 3 includes main theoretical issues from X-ray computed microtomography field. The properties of X-ray radiation and his interaction with matter were described. Mathematical principles of the tomography reconstruction algorithms and main methods of determination of contrast image were presented. Modernization and optimization of used X-ray imaging system are described in Chapter 4. Procedure of minimalization of the X-ray tube focal spot size was shown and it allowed to obtain spatial resolution of 2 . Modernised sample positioning system and X-ray detection system were presented. Works including system modernization allowed to obtain and present the own method of determination of geometrical magnification of the X-ray imaging system. The tests results concerning the determination of the new method of absorption X-ray imaging are presented in Chapter 5. Modelled signal of the change of X-ray images intensity resulting from the increase of X-ray tube acceleration voltage was determined and compared with experimental results. Based on obtained results, the function describing the change of intensity depending on X-ray tube acceleration voltage was determined phenomenologically. Physical interpretation of found function and properties of determined parameters were also shown. The analysis of the change of the edge enhancement signal intensity in function of X-ray tube acceleration voltage was presented in Chapter 6. Based on conducted analysis, the amplitude of the edge enhancement signal in the function of X-ray tube acceleration voltage was determined, and it allowed to determination a quality method for designation of X-ray phase contrast images. On the basis of developed methods, the X-ray imaging of biological samples composed of light elements and objects with slight difference of X-ray mass absorption coefficients was conducted. Determined methods allowed to obtain the absorption X-ray reconstructions with better contrast compared to conventional imaging technique. The phase contrast images were also obtained.