Новый рентгеновский источник создаётся на базе гибридной установки, включающей в себя сильноточный электронный ускоритель и лазер, дающий интенсивные световые импульсы. При столкновении электронного пучка с лазерным лучом испускается рентгеновское излучение, которое используется для медицинской диагностики в режиме реального времени.

Разработка лазерно-электронного источника

    Отсутствие источников интенсивного рентгеновского излучения, массово доступных на уровне предприятий и исследовательских организаций, препятствует развитию новейших рентгеновских методов и технологий, а также их широкому использованию в науке, медицине и других отраслях.

    Имеется объективная потребность в новом источнике рентгеновского излучения, который заполнил бы разрыв, образовавшийся между рентгеновскими трубками и синхротронными центрами. От лабораторных генераторов на рентгеновских трубках такой источник должен унаследовать компактность и относительно невысокую стоимость, а от центров СИ – высокую интенсивность рентгеновского пучка и возможности управления его параметрами.

    Рентгеновский источник, отвечающий сформулированным требованиям, может быть создан на основе комплексных установок, которые объединяют компактный сильноточный электронный ускоритель и лазер, испускающий интенсивные световые импульсы. Рентгеновское излучение в этом случае генерируется при встречном столкновении релятивистского электронного и лазерного пучков. Соответствующий элементарный процесс хорошо изучен и носит название томсоновского или комптоновского рассеяния.

    Разработка рентгеновских источников, основанных на томсоновском рассеянии пикосекундных лазерных импульсов на релятивистских электронах, ведётся в США, Японии, Китае, Франции, Великобритании, Италии, России, Германии, Катаре.

    В ФИАНе этому уделяется значительное внимание в течение ряда лет, было опубликовано более 20 работ. Как правило, схема источника включает квазинепрерывный пикосекундный лазер и оптический резонатор, предназначенный для увеличения выхода рентгеновских фотонов.

    Резонатор позволяет в несколько тысяч раз повысить мощность лазерного излучения в точке взаимодействия с электронным пучком. При этом для длительности импульса 10 пс достигнутый в мире уровень не превышает 670 кВт.  Причина ограничения – нарастание фазовых искажений, вызванных пространственно неоднородным нагревом зеркал резонатора под действием запасенного в нем излучения. Несмотря на это, ожидаемая мощность рентгеновского излучения лазерно-электронных источников, оптическая система которых основана на резонаторе, достаточна для целого ряда практических приложений. 

    В случае применения в медицине и биологии необходима покадровая съёмка с частотой повторения 25–30 Гц и характерным временем экспозиции, не превышающим временной масштаб внутренних движений исследуемых объектов (~1 мс).

    Специалистами ФИАН предложено новое техническое решение, которое позволяет удовлетворить это требование к Томсоновскому рентгеновскому источнику: вместо пустого резонатора использовать оптический циркулятор (резонатор с оптическим ключом). При этом излучение циркулирует в резонаторе только во время экспозиции и тепловая нагрузка уменьшается.

    Возможны два типа циркуляторов:

1) в схеме с электрооптическим ключом за счет выбора материала кристалла (BBO) предполагаемый выигрыш высок, но не превышает 100;

2) в схеме с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники (кристалл LBO) ожидаемый выигрыш составляет от 100 до 300, (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Лазерно-электронный источник для разностной ангиографии
вблизи К-края поглощения йода

    Несмотря на меньший ожидаемый выигрыш, схема импульсно-периодического источника позволяет не менее чем на порядок повысить мощность рассеиваемого на релятивистских электронах излучения во время формирования кадра.

    Томсоновский источник рентгеновского излучения для медико-биологических применений требует разработки генератора последовательности пикосекундных лазерных импульсов с общей длительностью ~1 мс, межимпульсным интервалом 1–2 мкс, частотой повторения 25–30 Гц и средней мощностью до 1 кВт.

    Предполагается использовать активные среды на основе Nd:YLF и Nd:YAP. Развитие методов управления лазерным излучением за счет комбинации двух обратных связей позволило экспериментально реализовать задающий лазер с регулируемой временной структурой излучения, необходимой для эффективной работы лазерно-электронного томсоновского источника.

Использование лазерно-электронного источника в медицине

    Наиболее точным способом диагностики состояния сосудов, питающих сердце, является ангиография – метод получения изображения в рентгеновском диапазоне. В настоящее время обследование фактически является операцией и требует предварительной подготовки. Пациенту под контролем рентгеновского телевидения через бедренную артерию вводят в область сердца катетер, который будет впрыскивать соединение, содержащее йод или гадолиний, для повышения контраста. Далее мощность рентгеновского излучения включают на максимум и записывают изображение исследуемой области. Изображение получают с помощью рентгеновской трубки в широком спектральном диапазоне.

    Такая диагностика имеет ряд недостатков: существует определенный риск осложнений при катетеризации артерии и из-за высоких концентраций вводимых контрастных веществ. Более того, врачи вынуждены находиться рядом с пациентом и получают свою дозу облучения.

    С помощью ангиографии врачи принимают окончательное решение о необходимости искусственного расширения (стентирования) суженных сосудов (см. рисунок 2), а также проводят оценку состояния при постоперационном наблюдении в долговременной перспективе, регулярно.

Стентирование коронарных артерий – один из методов лечения ишемической болезни сердца, позволяющий увеличить и сохранить просвет пораженной артерии длительное время. 

Рисунок 2. Стентирование сосуда (Источник wikipedia.org)

    Избавиться от существующих недостатков позволяет метод, предложенный еще в 1953 году. На графике (см. рисунок 3) показан коэффициент поглощения йода, а также тканей организма, в зависимости от энергии рентгеновского кванта. Резкое изменение на значении ~33 кэВ называется K-скачком поглощения. Получая два изображения одновременно на двух энергиях справа и слева от К-скачка, с последующим их вычитанием, можно увеличить контраст, а это значит снизить дозу или концентрацию контрастного агента.

 Рисунок 3. К-скачок поглощения 
(Источник: T. Dill et al., Intravenous coronary angiography with synchrotron radiation.
Medical Applications of Synchrotron Radiation, M. Ando, C. Uyama (Eds.),
Eur. J. Phys. 19, 499–511, 1998)

    Однако на момент возникновения этой идеи ее осуществление на основе монохроматизации спектра рентгеновских трубок не предствалялось возможным. Только в конце предыдущего века начались работы по ее реализации с использованием синхротронного излучения. Задача казалась настолько актуальной, а ее решение настолько многообещающим, что одновременно были поддержаны национальные программы в США, Японии, Франции, Германии.

    Существенным моментом в таком способе диагностики является временная структура излучения. Во всех экспериментах использовался специально разработанный механический прерыватель, обеспечивающий время экспозиции, необходимое для устранения смазывания изображения из-за физиологических движений.

    Характерное время экспозиции лежит в диапазоне долей-единиц миллисекунд. Необходимо понимать, что при этом большая часть синхротронного излучения прерывателем отрезается.

    Младший научный сотрудник Лаборатории фотоники молекул ФИАН Юлия Маслова так прокомментировала сложившуюся ситуацию:

    «Исследования по двухволновой методике, проведенные на сотнях пациентов, подтвердили возможность коронарной ангиографии без катетеризации. В итоге с использованием синхротронного излучения была доказана возможность получения изображения с внутривенным вводом контрастного агента, когда до прихода к сердцу он разбавляется в 40 раз. К сожалению, о практическом применении говорить было преждевременно из-за масштабов установок и их высокой стоимости, поскольку речь идет о синхротронах с энергией несколько гигаэлектронвольт и диаметром кольца порядка 20 м. В дальнейшем проведение ангиографии на синхротронах было признано нецелесообразным из-за высокой стоимости. В настоящее же время, в связи с совершенствованием технологий, появилась возможность реализовать этот метод на рентгеновском источнике принципиально нового типа, основанном на томсоновском рассеянии».

    Лазерно-электронный источник можно отнести к системам промежуточного класса по светимости рентгеновского излучения. Они могут успешно заполнить нишу между лабораторными источниками на базе рентгеновских трубок и синхротронами.

    По сведениям, полученным ФИАН-Информ, работа получила международное признание как оригинальный проект из России.

Ю. Маслова, ФИАН 

В. Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»

_________________________________________

От редакции. Возможность практического применения лазерно-электронного рентгеновского источника в медицине была обоснована сотрудниками ФИАН, в том числе, в работах, представленных в данном списке.