Modeling of X-Ray Phase Contrast Imaging of Optically Heterogeneous Objects

Abstract

Робота стосується дослідження внутрішньої багатошарової структури оптично неоднорідних об'єктів методом рентгенівського фазового контрасту, що є актуальним питанням сучасної науки, технології, ядерної фізики та медицини. Рентгенівська фазоконтрастна візуалізація дозволяє досліджувати слабко поглинаючі об'єкти, зменшити дозу опромінення та підвищити просторову роздільну здатність. Методом дослідження було використано комп'ютерне моделювання дифракції рентгенівського випромінювання в рамках скалярної теорії дифракції Френеля-Кіргхофа. Розроблено алгоритм створення моделі багатошарового об'єкта з різними значеннями декременту заломлення, який дозволяє визначати форму, розмір, кількість і товщину шарів, показник заломлення кожного шару об'єкта. Отримано рентгенівське фазоконтрастне зображення в методі вільного поширення для багатошарового об'єкта із пропорційним зменшенням декременту заломлення від центу до країв. Проведено порівняльний аналіз із рентгенівським зображенням однорідного об'єкта такого ж розміру та форми. Показано, що результат моделювання містить кількісну інформацію про внутрішню будову об’єкта та його багатошарову природу.

The work relates to the study of the internal multi-layered structure of optically inhomogeneous objects by the X-ray phase contrast imaging method, which is an urgent issue of modern science, technology, nuclear physics and medicine. X-ray phase-contrast imaging makes it possible to examine weakly absorbing objects, reduce the radiation dose and increase the spatial resolution. Computer modeling of X-ray diffraction within the Fresnel-Kirchhoff scalar diffraction theory was used as the research method. An algorithm was developed for creating a model of a multilayer object with different values of the refraction decrement, which allows to specify the shape, size, number and thickness of layers, and the refractive index of each layer of the object. X-ray phase-contrast image was obtained for a multilayer object with a proportional decrease in the refraction decrement from the center to the edges by the free propagation approach. A comparative analysis was carried out with an X-ray image of a homogeneous object of the same size and shape. It is shown that the modeling result contains quantitative information about the internal structure of the object and its multi-layered nature.