Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nowy wymiar obrazowania rentgenowskiego

Nowy wymiar obrazowania rentgenowskiego

Chcąc zbadać wewnętrzną strukturę próbki o wymiarach osyclujących w skali mikro, bardzo często sięga się po metodę tomografii komputerowej, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie i optykę polikapilarną. Nie jest ona jednak zawsze efektywna, nierzadko też może przysporzyć pewnych technicznych trudnośni - aby bowiem uzyskać model trójwymiarowy mikroobiektu, trzeba go obrócić oraz zeskanować jego powierzchnię. Ułatwieniem tego zadania zajęli się badacze z Instytutu Fizyki UJ oraz NCPS SOLARIS - Katarzyna M. Sowa i Paweł Korecki, którzy dzisiaj piszą o swojej nowej niekonwencjonalnej metodzie obrazowania tomograficznego.

Słysząc termin „promieniowanie rentgenowskie”, wielu z nas w pierwszej chwili myśli o zdjęciu rentgenowskim złamanej kończyny lub prześwietlaniu bagaży na lotnisku. Jednak nie zdajemy sobie sprawy z tego, że promieniowanie rentgenowskie jest powszechnie wykorzystywane nie tylko w medycynie, ale także przez naukowców do badania i opisu otaczającego nas świata. Za jego pomocą możliwe jest zarówno określanie składu pierwiastkowego przedmiotów, jak i obrazowanie mikropęknięć w różnych materiałach. Jednym z najpowszechniejszych zastosowań promieniowania rentgenowskiego jest tomografia mikroobiektów, mająca na celu badanie wewnętrznej struktury próbek i tworzenie trójwymiarowych modeli. 


Rys. 1. Optyka polikapilarna - setki tysięcy mikrokapilar ułożonych w heksagonalne struktury.
Krzywizna mikrokapilar pozwala na ogniskowanie lub kolimowanie promieniowania X za pomocą
zjawiska całkowitego zewnętrznego odbicia.

Promieniowanie rentgenowskie, nazywane też promieniowaniem X jest falą elekromagnetyczną, tak samo jak otaczające nas światło widzialne, mikrofale czy fale radiowe, jednak o znacznie wyższej częstotliwości, a więc i wyższej energii. W związku z tym, kontrolowanie go wymaga użycia specjalnych elementów optycznych, bardziej zaawansowanych niż zwykłe soczewki dla światła widzialnego. Jednym z rodzajów optyki wykorzystywanej do skupiania (ogniskowania) promieniowania X jest optyka polikapilarna (z greckiego poli [πολύ] – wiele). Polikapilara składa się z setek tysięcy mikrokapilar (bardzo cienkich rurek) ułożonych w heksagonalne struktury przypominające plastry miodu (Rys. 1.), w których promieniowanie X jest odbijane od ścianek w oparciu o zjawisko całkowitego zewnętrznego odbicia. Optyka tego rodzaju potrafi skupić promieniowanie rentgenowskie w jeden punkt o rozmiarach kilka razy mniejszych niż średnica ludzkiego włosa. Wiązka wychodząca z polikapilarnego elementu optycznego ma kształt bardzo wąskiego stożka. Niestety, pole widzenia takich wiązek jest bardzo małe i to właśnie sprawia, że obrazowanie tomograficzne z ich użyciem jest technicznie trudne i mało efektywne – oprócz obrotu próbki, wymagane jest także skanowanie jej powierzchni.


Rys. 2. Schemat rentgenowskiego elementu optycznego (nie w skali). Od prawej: kolimująca
optyka polikapilarna, maska mikroskopowych otworków, ogniskująca optyka polikapilarna.

W laboratorium optyki rentgenowskiej optiXlab (Zakład Promieniowania Synchrotronowego, IF UJ) opracowaliśmy nową, niekonwencjonalną geometrię obrazowania tomograficznego z wykorzystaniem wielu bardzo wąskich stożkowych wiązek posiadających wspólne ognisko (są to tzw. wiązki konfokalne) [1]. Wiązki tworzone są przy pomocy sporządzonego przez nas złożonego elementu optycznego (Rys. 2.) bazującego na polikapilarach.

W jaki sposób działa ta metoda obrazowania? W pierwszej kolejności rozbieżne promienie pochodzące ze źródła rentgenowskiego (lampy rentgenowskiej) przechodzą przez pierwszą polikapilarę, która  formuje je w wiązkę równoległą. Następnie promieniowanie to trafia w maskę, czyli folię wolframową, w której wykonano około tysiąca mikroskopowych otworków. Otworki przepuszczają tylko część tej równoległej wiązki, przez co uzyskuje się około tysiąca „mikroźródeł” rentgenowskich. Powstałe w ten sposób mikrowiązki skupiane są przez drugą polikapilarę w punkcie (ognisku) i oświetlają tam umieszczony obiekt jednocześnie, pod różnymi kątami.


Rys. 3. Pojedyncza projekcja z a) konwencjonalnego skanu tomograficznego, b) ze skanu
tomograficznego wykonanego metodą tomografii stożkowej w geometrii wielowiązkowej.

Zastosowanie takiego układu eliminuje konieczność zmiany pozycji próbki podczas obrazowania i umożliwia uzyskiwanie ostrych obrazów prześwietlanych mikroobiektów w rozdzielczości nie możliwej do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych elementów optycznych (około 0.5 µm). Eksperyment pilotażowy został przeprowadzony dla specjalnie przygotowanego fantomu tomograficznego, tj. szklanej kapilary (cienkiej rurki) wypełnionej kulkami szklanymi o średnicy 25 µm. Rysunek 3 (Rys. 3.) przedstawia porównanie pojedynczej projekcji z konwencjonalnego skanu tomograficznego (a) z projekcją wykonaną opracowaną przez nas metodą (b).

--------------------------------------------------------------------------
Metoda obrazowania tomograficznego wykorzystująca bardzo wąskie stożkowe wiązki może być używana  na przykład w wysokorozdzielczym obrazowaniu obiektów biologicznych, dla których ważne jest zminimalizowanie otrzymanej dawki promieniowania (poprzez skrócenie czasu pomiaru).  W przyszłości nasza metoda będzie wykorzystywana w Centrum SOLARIS na linii POLYX, której uruchomienie jest przewidziane na rok 2022. 

 

Katarzyna M. Sowa
Instytut Fizyki WFAiS UJ

Paweł Korecki
Instytut Fizyki WFAiS UJ, Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS

 

[1] K. M. Sowa, P. Korecki, X-ray tomography with multiple ultranarrow cone beams, Optics Express 28, 23223 (2020)

Polecamy również
Nobel 2020 z chemii za nożyczki genetyczne
Nobel z fizyki 2020: Czarne dziury i tajemnicze centrum Drogi Mlecznej
Teoria kontra obserwacje rozbłysków gamma: narodziny nowych świec standardowych
Wenus pełna życia?