Zobrazování malých objektů v jiném světle

Transmisní radiografie

Principem metody je sledování změn ve vlastnostech svazku pronikavého záření, které prochází zkoumaným vzorkem. V klasickém uspořádání je vzorek prosvěcován svazkem ionizujícího záření. Změněné vlastnosti prošlého svazku jsou registrovány zobrazovacím detektorem. Sledovaným výstupem ze zobrazovacího detektoru je obraz rozložení intenzity (radiogram). Zaznamenané změny ve vlastnostech svazku jsou odrazem struktury či složení zobrazovaného vzorku.

První radiogram vůbec pořídil r. 1895 Wilhelm C. Röntgen pomocí paprsků X (rentgenového záření). Rentgenová radiografie se stala rutinní diagnostickou metodou v mnoha oborech – od biologie přes medicínu až po materiálový výzkum. Přesto však existují situace, kdy klasické provedení selhává. Typickým příkladem je zobrazování biologických vzorků, které absorbují rentgenové záření v celém objemu velmi podobně. Takové problémy nastávají i při zobrazování malých živočichů in vivo a tomografické rekonstrukci malých biologických objektů.

Dalším velmi zajímavým oborem je radiografie s jinými, méně běžnými typy záření, jakými jsou např. svazky pomalých neutronů nebo těžké nabité částice.

Zobrazovací detektory pro transmisní radiografii

Používají se tři hlavní druhy detektorů: filmové emulze, zobrazovače integrující náboj a pixelové detektory registrující jednotlivé částice. Detektory registrující intenzitu záření musí být schopny integrovat počet detekovaných částic po určitou expoziční dobu. Záření detekujeme tím, že ho převedeme přes ionizační účinky na elektrický signál, který je po dobu expozice integrován. Elektrickou veličinou, jež se integruje, je tedy náboj. Ten může být integrován buď analogově v kondenzátoru, nebo digitálně v čítači. První přístup se používá v zobrazovačích CCD, CMOS nebo v senzorech typu flat-panel, druhý v pixelových detektorech.

Právě pixelové detektory se v radiačním zobrazování velmi osvědčily. Výrazně je potlačen vliv šumu a téměř odstraněn i standardní problém s „temným proudem“, který vzniká mj. „prosakováním“ náboje uloženého v paměťovém kondenzátoru. Další výhodou je selektivita pixelových detektorů. Nastavením konkrétních diskriminačních úrovní lze zajistit, aby detektor registroval jen částice o určitých energiích a ostatní ignoroval.

Pixelové detektory umožňují více než jen prosté počítání částic. Díky masivnímu sdílení náboje při detekci těžkých nabitých částic lze odhadnout také energii částice. Náboj vybuzený jedinou částicí totiž překryje několik sousedních pixelů, a vytvoří tak skupinu (klastr) pixelů, které jej zaznamenají a jejich čítače započítají jedničku. Počet pixelů ve skupině závisí na energii částice. Vyhodnocením těžiště skupiny lze určit i místo interakce s přesností větší, než je velikost pixelu.

Pixelové detektory umožňují díky bezšumové integraci obrazu (počítání jednotlivých částic v každém pixelu) dosáhnout v podstatě neomezeného kontrastu. Pro živé biologické vzorky a rentgenovou radiografii to znamená, že lze dobře vizualizovat vnitřní strukturu měkkých tkání i bez použití dodatečných kontrastních látek, což je u běžně dostupných mikroradiografických sytémů (viz např. www.microphotonics.com/nanotomo.html) vybavených snímači integrujícími náboj téměř nemožné.

Rentgenová mikroradiografie biologických vzorků

Základem rentgenové mikroradiografie je záznam změn v intenzitě svazku rentgenového záření procházejícího vzorkem. Běžně používanými zdroji rentgenového záření jsou rentgenky typu mikrofokus, poskytující polychromatické záření, vzácněji potom synchrotrony, které poskytují svazky monochromatické.

Proniká-li svazek polychromatického záření objektem (viz obrázek 2), přednostně jsou zeslabeny méně pronikavé složky záření. Pronikavější, tj. energetičtější složky záření jsou méně absorbovány. Spektrum záření je tedy po průchodu vzorkem odlišné od původního, dochází k takzvanému tvrdnutí spektra svazku. S tímto efektem je nutné počítat při vyhodnocování dat. Detektor musí být na tento efekt kalibrován, aby mohla být naměřená data správně korigována.

Zobrazení termitovy metamorfózy

Tělo termita je tvořeno převážně měkkou tkání. Aby bylo možné sledovat anatomické změny před termitovou přeměnou, během ní i po ní, bylo nutné použít metodu, která by ho nejen nezabila, ale ani nepoškodila. Běžně používané metody zobrazování hmyzu (optická mikroskopie, transmisní i rastrovací elektronová mikroskopie a fluorescenční mikroskopie) vyžadují úpravy neslučitelné s jeho dalším životem.

Pomocí klasického zdroje (Röntgenovy trubice s wolframovou anodou typu mikrofokus) a detektoru Medipix2 (viz rámeček „Zobrazovač Medipix2“ 1 ) byl získán transmisní dorzální radiogram zmraženého termita Reticulitermes santonensis (viz obrázek 3). Kontrast obrázku byl zvýšen metodou fázově citlivého zobrazování.

Hlavní výhodou této metody (viz rámeček „Fázově citlivé zobrazování“ 2 ) je že zkoumaný vzorek zatěžuje minimální dávkou záření a že lze zobrazovat také živé vzorky. Dosažené rozlišení je dostatečné pro dobré pozorování hlavních změn jak ve vnější, tak částečně i ve vnitřní anatomii (viz obrázek 4).

Významným rozšířením metody jsou tomografické rekonstrukce, tj. trojrozměrné modely zobrazovaných objektů. Technika je založena na sejmutí velkého množství dvourozměrných obrázků (projekcí) objektu pod různými úhly. Pomocí vhodného algoritmu je pak možné z projekcí rekonstruovat prostorový model, který v případě termitů umožnil například digitální měření vzdáleností mezi různými tělními strukturami, jež se měnily (viz obrázek 5).

Transmisní radiografie s pomalými neutrony

Zajímavých výsledků lze dosáhnout i pomocí svazků pomalých neutronů. Intenzita neutronového svazku je při průchodu vzorkem tlumena dvěma mechanizmy, záchytem a rozptylem. Jako tmavé se tedy budou jevit ty části vzorku, které obsahují prvky s velkým účinným průřezem pro záchyt nebo rozptyl pomalých neutronů. Anorganické materiály a většina běžných kovů jsou relativně průhledné. Naproti tomu organický materiál, obsahující vodík či jiné lehké prvky, vytváří stín s velkým kontrastem (viz obrázek 6).

Křemík je pro pomalé neutrony téměř průhledný. Standardní detektory, např. typu Medipix, proto nelze pro neutronové zobrazování využít. Detektor lze však pokrýt vrstvou konverzního materiálu, který pomalé neutrony zachytí a uvolní sekundární radiaci ve formě těžkých nabitých částic. Ty jsou již křemíkovým detektorem snadno detekovatelné. Podle naměřených výsledků je navíc rozlišovací schopnost takto upravených detektorů velmi vysoká – desítky mikrometrů. V této souvislosti se rovněž mluví o neutronové mikroradiografii. V ní lze samozřejmě použít řadu postupů známých z radiografie rentgenové, tedy i techniky počítačové tomografie (viz obrázek 7).

Těžké nabité částice

Jestliže je svazek záření, jenž se používá k zobrazování, tvořen monoenergetickými těžkými nabitými částicemi (protony, částicemi alfa apod.), energie těchto částic při průchodu vzorkem klesne. Ztrátu energie částic lze rovněž využít k zobrazování struktury vzorku. Tenký vzorek se prozařuje monoenergetickým svazkem těžkých nabitých částic a za objektem se měří energie jednotlivých částic. Z výsledků měření pak lze zpětně usuzovat na tloušťku materiálu v místě, kterým částice musela proniknout.

Rychlost a účinnost pixelových detektorů

V transmisní radiografii může být sledována změna libovolné vlastnosti svazku ionizujícího záření, dosažený výsledek je závislý na kvalitě svazků ionizujícího záření (pro různé účely různá kvalita, těžko stanovit „nejkvalitnější“) a použití vhodných zobrazovacích detektorů záření. Vlastnosti současných polovodičových pixelových detektorů dnes již v mnoha ohledech předstihují tradiční zobrazovací prvky založené na analogové integraci náboje, např. CCD. Pixelové detektory navíc umožňují registrovat s vysokou účinností, velkou snímací rychlostí a v podstatě neomezeným dynamickým rozsahem jednotlivé částice ionizujícího záření a rozlišit je podle energie.

Tento výzkumný úkol byl realizován ve spolupráci Ústavu technické a experimentální fyziky ČVUT a Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, v. v. i.

ZOBRAZOVAČ MEDIPIX-2

Medipix-2 je hybridní křemíkový pixelový detektor vyvinutý v CERN v rámci mezinárodní spolupráce, na níž se podílí i Ústav technické a experimentální fyziky ČVUT (viz Vesmír 87, 330, 2008/5). Původně byl navržen pro polohově citlivou detekci jednotlivých fotonů. S vhodným senzorem však může být použit pro detekci jednotlivých kvant prakticky libovolného typu záření.

Medipix-2 se skládá z čipu senzoru a čipu čtecí elektroniky, jež jsou vzájemně spojeny speciální technologií. Senzorem je standardní polovodičový detektor s jednou elektrodou společnou a druhou rozdělenou do matice elementů (pixelů). Každý pixel je připojen k vlastnímu předzesilovači, následovanému dvojicí komparátorů a digitálním čítačem, které jsou integrovány na čtecím čipu.

Data je možno ze zařízení Medipix číst prostřednictvím sériového nebo 32bitového paralelního rozhraní. Díky vysoké komunikační rychlosti (až 100 MHz u posledních typů) lze obrázek „vyčíst“ za 10 ms sériově nebo 320 µs paralelně.

Zcela novým typem je zařízení Timepix, které umožňuje dokonce přímé měření velikosti náboje vytvořeného jednotlivou částicí v každém pixelu.

FÁZOVĚ CITLIVÉ ZOBRAZOVÁNÍ

Ačkoliv struktury měkkých tkání mají zpravidla všechny velmi podobnou hodnotu absorpce, často se liší v hodnotách indexu lomu, čehož lze využít. Při průchodu prostorově koherentního svazku rentgenového záření dochází k jeho fázovému posuvu. Velikost tohoto fázového posuvu závisí na velikosti indexu lomu. To se pak projeví na snímaném obraze posílením kontrastu na rozhraních struktur sledovaných objektů.