Микрофокусная рентгенография в исследовании историко-культурных объектов

ФОТОГРАФИЯ. ИЗОБРАЖЕНИЕ. ДОКУМЕНТ. ВЫП. 5

МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПАМЯТНИКОВ

В. Б. БЕССОНОВ, А. Ю. ГРЯЗНОВ, М. В. ДОБРОВОЛЬСКАЯ,

М. Б. МЕДНИКОВА, Н. Н. ПОТРАХОВ

МИКРОФОКУСНАЯ РЕНТГЕНОГРАФИЯ В ИССЛЕДОВАНИИ ИСТОРИКО-КУЛЬТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ

Рентгеновское излучение успешно применяется для определения подлинности произведений искусства, музейных ценностей и других объектов культурного наследия. Хорошо известны методы рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов, позволяющие с высокой точностью на малых количествах вещества определить физическое строение (на атомарном уровне) и химический состав различных материалов [2]. В последнее время к ним прибавился рентгенографический метод просвечивания объектов с увеличением изображения, широко используемый в ряде областей медицины для получения рентгеновских изображений органов, детали строения которых имеют минимальные размеры от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров [6].

В отличие от рентгеновской микроскопии, предметом исследования которой являются специально подготовленные образцы или фрагменты малого размера произведений искусства, метод съемки с увеличением изображения позволяет исследовать внутреннее строение объектов с той же разрешающей способностью, не нарушая их целостности и независимо от их конечных размеров [4].

Традиционно рентгенография объектов диагностики выполняется контактным способом съёмки стандартной рентгенографии [5]. При съёмке контактным способом

3

Илл. 1. Рентгенооптическая схема съёмки в стандартной рентгенографии: а — контактный способ; б — способ съёмки с увеличением

используется источник излучения (1) с протяженным фокусным пятном d (di *1 мм). Объект съёмки (2) располагается на достаточно большом расстоянии f от источника излучения (1) и вплотную («в контакте») — к приемнику излучения (3) (илл. in). Хорошо заметно, что, во-первых, размер фокусного пятна d, а также расстояние между источником излучения и объектом f существенно влияют на качество (нерезкость Нг) изображения. Величина расстояния f выбирается исходя из требований к величине нерезкости получаемых снимков, с учетом конкретных размеров фокусного пятна рентгеновской трубки di и толщины объекта. Во-вторых, даже незначительное удаление приемника излучения от объекта съёмки на расстояние Д f = f -fi приводит к значительному ухудшению качества снимка вследствие увеличения нерезкости Нг (илл. 16).

Очевидно, что для уменьшения нерезкости изображения необходимо увеличивать расстояние между объектом и приемником излучения.

При съёмке с увеличением изображения используется так называемый точечный источник излучения (1) с фокусным пятном d микронных размеров (d2<o,i мм) (илл. 2). Объект съёмки (2) располагается на определенном расстоянии как от источника, так и от приемника излучения (3). Независимо от того, в каком положении находится объект

Илл. 2. Рентгенооптическая схема съёмки в микрофокусной рентгенографии: а — контактный способ; б — способ съемки с увеличением

68

съёмки в пространстве между фокусным пятном источника

излучения и плоскостью приемника, резкость полученного изображения сохраняется (илл. 2б).

Отношение расстояний f и fi определяет коэффициент увеличения изображения объекта m по сравнению с его истинными геометрическими размерами.

Рентгенография с помощью микрофокусных источников рентгеновских источников излучения получила название микрофокусной рентгенографии.

Для демонстрации преимуществ микрофокусной рентгенографии по сравнению со стандартной рентгенографией использован тест-объект (скелетированная голова кошки), содержащий детали строения размером от нескольких десятков микрометров (илл. з).

Илл. 3. Скелетированная голова кошки

На илл. 4 представлены рентгеновские снимки тестобъекта, полученные по методике стандартной рентгенографии на аппарате с фокусным пятном d^i мм без увеличения изображения — контактно (илл. 4а) и с увеличением в 2, 4, 8 раз (илл. 46-г).

С ростом коэффициента увеличения изображения информативность снимков существенно уменьшается по сравнению с контактным снимком, вследствие возникающей нерезкости изображения.

На илл. 5 представлены рентгеновские снимки того же тест-объекта, полученные по методике микрофокусной рентгенографии на аппарате с фокусным пятном d^o,i мм без увеличения изображения (илл. 5а) и с увеличением в 2, 4, 8 раз (илл. 56-г). На микрофокусных снимках с увеличением изображения не только сохраняется резкость, но и обнаруживаются новые детали строения объекта, неразличимые на контактном снимке.

Технология микрофокусной рентгенографии археологических памятников, музейных объектов и произведений искусства включает в себя методику микрофокусной съемки и специализированные технические средства для ее реализации. Методика съёмки двухэтапная: на первом этапе выполняется контактный снимок для оценки общего строения объекта исследования и определения «зон интереса», на втором этапе — снимок с увеличением изображения отдельных участков объекта для получения дополнительной или новой информации о его строении [7].

Для практической реализации методики микрофокусной съёмки разработана передвижная рентгенодиагностическая установка прду-02 [3] (илл. 6). В ее состав входят: камера для проведения рентгенографических работ, микрофокусный источник рентгеновского излучения с минимальным размером фокусного пятна рентгеновской трубки 25 мкм и цифровая система визуализации рентгеновского изображения на основе экрана с фотостимулируемым люминофором. Конструкция установки обеспечивает полную защиту персонала от рентгеновского излучения. В соответствии с действующими нормативными документами она освобождена от радиационного контроля и учета, а также необходимости получения специальной лицензии на право проведения рентгеновских исследований.

Разработанная технология микрофокусной рентгенографии показала свою эффективность в изучении скелетной системы, в частности, при диагностике заболеваний древнего человека [1]. Так, были исследованы останки, происходящие из археологических раскопок в Поволжье, датируемые вторым тысячелетием до н.э. Рентгеновскому обследованию подвергся крупный фрагмент свода черепа, состоящий из лобной и теменных костей из погребения 2 кургана 2 Студеновского могильника в 50 км от Саратова. По степени развития надбровных дуг и общей относительной массивности черепной крышки

Илл. 4. Рентгеновские снимки тест-объекта, полученные на аппарате с протяженным фокусным пятном

69

ФОТОГРАФИЯ. ИЗОБРАЖЕНИЕ. ДОКУМЕНТ. ВЫП. 5

Илл. 5. Рентгеновские снимки скелетированной головы кошки, полученные на микрофокусном рентгеновском аппарате

пол индивидуума определен как мужской. По состоянию черепных швов, возраст мужчины оценен как молодой (категория aduttus, 25-35 лет).

Изучались следы двух травматических повреждений этого черепа с целью уточнения сроков их нанесения. На установке прду-02 были получены снимки с увеличением изображения в три раза. Визуальный анализ изображения первой травмы (илл. 7) позволяет увидеть ненарушенную трабекулярную структуру, демаркационная линия пресдоленного воспалительного процесса не оформлена; признаки заживления не наблюдаются.

Илл. 6. Передвижная рентгенодиагностическая установка прду-02 для исследования археологических памятников, музейных объектов и произведений искусства

В данном случае имел место неосложненный перелом свода черепа, но костная мозоль, которая образуется за срок до трех месяцев, сформироваться не успела.

При анализе увеличенного изображения второго повреждения (илл. 8), напротив, четко видна костная реакция в виде области потери костного вещества и обширного воспалительного процесса. Эта травма не стала причиной немедленной смерти, а спровоцировала некроз, развивавшийся не менее двух недель после ранения.

Итак, микрофокусная рентгенография позволила аргументировать возможность нанесения обеих травм в одном сражении и показать, что смерть этого человека наступила в результате инфицирования второго повреждения.

Технология микрофокусной рентгенографии эффективна при атрибуции произведений живописи путем сравнительного анализа рентгеновских изображений изучаемого произведения с рентгеновскими изображениями подлинных картин художника. Возможность получения резких увеличенных изображений отдельных участков картины позволяет выявить и изучить особенности живописных приемов, нижележащие изображения, области разрушения или реставрационного вмешательства, что обеспечивает высокую вероятность определения участков авторской живописи. На илл. 9 представлен микрофокусный контактный рентгеновский снимок картины, написанной масляными красками.

На илл. 10 представлены микрофокусные снимки с увеличением изображения, выполненные при исследовании структуры холста картин. Полученные изображения позволяют уверенно идентифицировать разные типы плетения ткани.

Как показывает практика, в современных условиях всестороннее изучение объектов культурного наследия является важной и актуальной задачей, требует разработки новейших методов исследования и аппаратуры для их реализации. Технология микрофокусной рентгенографии, обеспечивающая принципиально большие диагностические возможности по сравнению с технологией стандартной рентгенографии, является одним из таких методов.

70

Илл. 7. Вдавленный перелом на теменной кости

Илл. 8. Обширный некроз на лобной кости

Илл. 10. Рентгенограммы различных типов плетения холста

Илл. 9. Рентгенограмма картины

ЛИТЕРАТУРА:

1. Бужилова А. П., Добровольская М. В., Медникова М. Б., Потрахов Н. Н., Потрахов Е. Н, Грязнов А. Ю. Применение микрофокусной рентгенографии при диагностике заболеваний древнего человека // Петербургский журнал электроники.— 2008.— № 2-3.— С. 152-162.

2. Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: учебник для вузов по спец. «Электронные приборы».— М.: Высшая школа, 1983.— 288 с.

3. Грязнов А. Ю., Потрахов Е. Н, Потрахов Н. Н. Портативная установка для рентгеновского экспресс-контроля качества пищевой продукции // Биотехносфера.— 2009.— № 6.— С. 26-28.

4. Мзауров А. И., Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография в медицине // Медицинская техника.— 2011.— № 5.— С. 30-34.

5. Основы рентгенодиагностической техники: учеб. пособие / под ред. Н. Н. Блинова.— М.: Медицина, 2002.— 392 с.

6. Потрахов Н. Н. Микрофокусная рентгенография в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.— спб.: Элмор, 2007.— 181 с.

7. Потрахов Н. Н., Грязнов А. Ю., Потрахов Е. Н. Эффект псевдообъемного изображения в микрофокусной рентгенографии // Известия спбгэту «лэти».— 2009.— № 2.— С. 18-24.

71