В НИЯУ МИФИ начались разработки отечественного аппарата для выполнения цветной рентгенографии
Как известно, рентгеновское излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Проводя исследования вакуумной катодной трубки Крукса, ученый заметил, что находящийся поблизости люминесцентный экран начинает светиться в темноте. Тогда физик решил поместить свою руку между предполагаемым источником излучения и экраном. И тут произошло невероятное: на экране отобразился силуэт костей руки экспериментатора. Таким образом ученый установил, что трубка испускает неизвестный ранее вид лучей, которые он назвал Х-лучами. Впоследствии эти лучи были названы рентгеновскими в честь первооткрывателя.
Проведя многочисленные эксперименты, физик обнаружил, что Х-лучи могут, частично поглощаясь, проходить через различные предметы, а степень этого поглощения зависит от физико-химических свойств облучаемых объектов. Так стало известно, что рентгеновские лучи практически не проходят через свинец и плохо пропускаются другими металлами, зато практически беспрепятственно проходят через бумагу и дерево и слабо поглощаются человеческим телом. Для фиксации результатов своих опытов Рентген использовал фотографические пластинки.
В ходе одного из экспериментов физик сделал знаменитый рентгеновский снимок руки своей супруги, который впоследствии получил название «Рука с кольцами». Рентгенограмма была так названа потому, что помимо костей на полученном снимке были хорошо различимы два кольца, надетых на палец испытуемой. Позже, выступая с докладом об открытии рентгеновских лучей перед физико-медицинским обществом Вюрцбурга, великий ученый повторил свой эксперимент, сделав снимок руки известного анатома Альберта фон Кёлликера. Публика была потрясена результатом и устроила овацию. Позже научное открытие, благодаря которому в 1901 году его автор стал первым в истории лауреатом Нобелевской премии по физике, нашло применение в различных областях науки и техники. Но наиболее широко рентгеновское излучение, как известно, используется в медицине, в частности в рентгенографии.
В основе традиционной рентгенографии лежит следующий принцип: различные ткани организма обладают разной степенью поглощения рентгеновских лучей. Например, кости задерживают излучение значительно сильнее, чем мягкие ткани. При получении рентгеновских снимков лучи проходят сквозь ткани и регистрируются на специальной пленке. В результате создается контрастное черно-белое изображение, где яркость соответствует уровню поглощения. Полученная таким образом рентгенограмма по своей сути является проекцией трехмерного объекта на плоскость. Поэтому часто для постановки точного диагноза необходимо сделать несколько таких снимков в разных проекциях. Кроме того, традиционный подход не позволяет анализировать энергию отдельных фотонов. Разработка детектора, способного регистрировать спектральные характеристики излучения, позволит создать цветной рентгеновский аппарат, который может значительно повысить точность диагностики.
Подобные разработки уже существуют. Первый в мире цветной рентгенограф был представлен в 2018 году новозеландской компанией Mars Bioimaging. Создатели сообщили, что новый метод позволяет дифференцировать структуры, которые слабо различимы на обычном рентгеновском снимке, например, мышцы и жир. При этом принцип получения изображения остается прежним, но меняется способ фиксации и анализа результатов. Известно, что волны рентгеновского излучения при прохождении через различные материалы затухают по-разному. Датчик, представленный разработчиками, измеряет коэффициент затухания, что дает информацию о свойствах среды. Также ученые разработали специальный алгоритм, который по полученным данным строит трехмерное цветное изображение исследуемого объекта.
Первый шаг к созданию цветного рентгенографа недавно сделали и в нашей стране. Группа молодых ученых из НИЯУ МИФИ начала разрабатывать детектор PixelVision, который будетрегистрировать отдельные фотоны рентгеновского диапазона и измерять их энергию. Это позволит получать данные для детального анализа состава материалов и биологических тканей, а также формировать цветные рентгеновские изображения.
Детектор PixelVision представляет собой двухслойную структуру. Верхний слой – сенсор на основе арсенида галлия, разработанный в Томском государственном университете. При взаимодействии рентгеновских фотонов с материалом сенсора происходит ионизация, приводящая к образованию электрон-дырочных пар. Их количество пропорционально энергии поглощенного фотона. Нижний слой – специальная микросхема, созданная в МИФИ. Она предназначена для считывания и обработки сигналов, поступающих от сенсора, а также для преобразования полученной информации и получения данных о пространственном распределении и энергии фотонов. Предполагается, что готовый прототип изделия разработчики представят уже в 2026 году.
Как утверждают ученые, использование разрабатываемого детектора в будущем позволит не только получать высококачественные цветные рентгеновские изображения, но и снизить дозу облучения пациентов за счет сокращения времени экспозиции. Технология также найдет применение в научных экспериментах, системах досмотра и промышленного неразрушающего контроля.