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Phasenkontrast in der CT Bildgebung
Christian Dullin, Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie, UMG Göttingen, Germany& SYRMEP beamline, Italian Synchrotron light source “Elettra” Trieste Italy
Phasenkontrast-CT, Mauslunge in-situ, 9µm pixel size
Gliederung
Phaseneffekte bei Röntgenbildgebung
Free propagation phase contrast
Synchrotronstrahlung
Phase retrieval
Alternative Phasenkontrastverfahren
Anwendung in der präklinischen Forschung (virtuelle 3D Histology von Weichgewebe, “cell-tracking” mit CT)
Humane Anwendungen von Phasenkontrast
Röntgenbild eines Kusses
Das Prinzip der Röntgenbildgebung
Kontrast = Unterschiede in Schwächung der Röntgenstrahlung = lokale ElektronendichteGrundprinzip unverändert seit 1895
Mausembryo, Wolframlösung, 2.5µm pixel size
Free propagation based phase contrast
Komplexer Brechungsindex n = 1-d+ib
Linearer Schwächungskoeffizient µ = 4pb/l
atomarer Wechselwirkungsquerschnitt~ Wahrscheinlichkeit des Effektes
Momose A. (1995)
24keV
Phasenverschiebung ist der dominate Prozess in Weichgewebe Partielle Kohärenz erlaubt “free propagation phase contrast” Bildgebung
d sinkt quadratisch mit E, b mit der dritten
Ordnung
Was ist ein Synchrotron?
Das Synchrotron ist ein Ringbeschleuniger. Geladene Elementarteilchen oder Ionen können darin auf sehr hohe (relativistische) Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Eine Sonderform des Synchrotrons ist der Speicherring. Als Röntgenquelle kommen Elektronenspeicheringe zu Einsatz.
Beamline
Speichering
’bending’ Magnet
Image courtesy of the Australian Synchrotron.
eigentliches Synchrotron
Amerika 9; Asien 15; Europa 18; Ozeanien 1; Mittlerer Osten 4http://www.lightsources.org/
Synchrotronstrahlung als kohärente Röntgenquelle
Synchrotron Light Source “Elettra”, Trieste, Italy
~106 mal größere Intensität als klassische Röntgenröhre
image courtesy Australian synchrotron
gefiltert auf (DE/E ~ 1*10-3)
image courtesy ‘Elettra’ synchrotron
effektiver Quelle – Proben – Abstand ~25m=> partiel kohärent
SYRMEP beamline “Elettra” Synchrotron Light Source Trieste Italy
free propagation phase contrast
Parameter: E=22keV, 360° scan, 1800 Projektionen, binning 2, effektive isotrope Voxelgröße 9µm
Objekt-Detektor-Distanz 30cm
“single distance phase retrieval” Algorithmus (transport of intensity equation , TIE)
free propagation based phase contrast
Phase retrieval
Anwenden des “phase retrieval” Algorithmus:
entfernt Kanteneffekte Ermöglicht
Schwellwertbasierte Segmentierung von Luft und Weichgewebe
Steigert das Kontrast-Rausch-Verhältnis um einen Faktor von ~10
Mohammadi S, Larsson E, Dullin C, Tromba G (Elettra, Trieste, Italy)
Phase retrieval II
FBP TIE
7cm 30cm 100cm 7cm 30cm 100cm
CNR
air-tissue1.55 0.92 0.73 9.33 17.54 29.29
steepness of fit 57% 100% 15% 8% 7% 5%~ 10x mehr Kontrast
Phasenkontrast ist nicht limitiert auf Synchrotronstrahlung
Bei ähnlichen Bedingungen (kleiner Brennfleck, hohe Auflösung und größerer Objekt-Detektorabstand) “free propagation phase contrast” auch in klassischen microCTs möglich
LCM-scaffold, skyscan 1272 microCT, pixel size 3µm,
Objekt-Detektorabstand 22cmA) links RAW data, rechts
nach phase retrievalB,C) Kantenschärfe +
Grauwerthistogramm B) Raw data, C) nach phaseretrieval
D) vergleichende 3D Darstellung
“free propagation phase contrast”
in einem CT klassischer Bauform
nicht für den Patienten anwendbar
Andere Phasenkontrasttechniken
edge illumination phase contrast:Small angle x-ray scattering with edge-illumination, Modregger P, Cremona TP, Benarafa C, Schittny JC, Olivo A & Endrizzi M, Scientific Reports 6, Article number: 30940 (2016)
Nachteile: - in einer Rotation werden nur “Streifen” des Objektes abgedeckt- ein Teil der Strahlung wird in der Detektormaske blockiert => geringere Dosiseffizienz
Grating based phase contrast:Hard X-Ray Phase Tomography with Low-Brilliance Sources, Pfeiffer F, Kottler C, Bunk O, and David C.
Phys. Rev. Lett. 98, 108105 – Published 8 March 2007
Nachteile: - “phase stepping” benötigt => multiple scans
- phase grating und analyzer grating blocken einen Großteil der Strahlung => geringe Dosiseffizienz
Figure 1 | First in-vivo multi-contrast x-ray images of a mouse. (a) Conventional x-ray image based on attenuation. (b) Differential phase-contrast image based on x-ray refraction. (c) Dark-field image based on x-ray scattering. All three images are intrinsically perfectly registered as they are extracted from the same data recorded with a grating interferometer. Examples of regions of enhanced contrast are marked with arrows, showing the refraction of the trachea (b) and the scattering of the lungs (c). The white bars correspond to 1 cm.
M. Bech, A. Tapfer, A. Velroyen, A. Yaroshenko, B. Pauwels, J. Hostens, P. Bruyndonckx, A. Sasov & F. Pfeiffer.
“In-vivo dark-field and phase-contrast x-ray imaging”. Nature Sientific Reports 2013
“neue” Kontraste in der Röntgenbildgebung
Lung
Ribs
Aufgenommen mit einer Röntgenröhre
Phasenkontrast ermöglicht Dosisreduktion
Phasenkontrast erlaubt Dosisreduktion (Steigerung der Aufnahmegeschwindigkeit) für virtuelle Histologie … Mausherz (Wolframlösung), ~2µm Auflösung, Scanzeit 3min
Phasenkontrast erlaubt Weichgewebsbildgebung ohne Kontrastmittel
Vergleich Wolfram gefärbtes Mausgehirn (A) und ungefärbtes Mausgehirn (B) eingebettet in Paraffin. (A) zeigt stärkeren Kontrast aber verwaschene Gewebegrenzen bedingt durch Diffusion der Wolframionen (Lineplot). Detailbild in (B) zeigt das ohne Färbungen zelluläre Auflösungen erreicht werden können. (Beide Scans aufgenommen mit gleichen Parametern)
Phasenkontrast erlaubt “cell-tracking” mit CT
immortalized alveolar macrophages
Barium containing CT contrast agent
NIR fluorescence cell membrane label
6x106 Makrophagen intra-tracheale Gabe in asthmatische Mäuse und gesunde Kontrolltiere
NIR fluorescence imaging Ergebnisse einer asthmatischen Maus vor (pre) direkt nach (T0) und 24h (T24) nach Gabe der Makrophagen
Synchrotron phase contrast CT: Detaildarstellung des Lungengewebes
NIRF Mikroskopie von cryo-sections einer asthmatischen Lunge
Ziel: simultane Bildgebung von strukturellen
Veränderungen und der Biodistribution von
Makrophagen in Lungen eines Maus-Asthmamodells
Erzielte Ergebnisse
Volume rendering Darstellung der “phase contrast CT” Datensätze einer asthmatischen Maus (AA) und einer gesunden Kontrollmaus (CN1),
grau = Knochen, rot = Weichgewebe, Gelb = Barium. Volume of interest (1x1x1 mm3) Darstellungen and den mittels weißen Rechteck markierten Stellen. Quantifierzierung (rechts): höherer Weichgewebsanteil (deshalb reduzierter Luftinhalt) und eine höhere Konzentration von Barium markierten Makrophagen in AA im Vergleich zur Kontrolle.
voxel size 0.4µm
CT Bildgebung mit subzellulärer Auflösung
M. Krenkel, T. Salditt, Röntgenphysik, UNI Göttingen ID22NI ESRF
M. Krenkel, A. Markus, M. Bartels, C. Dullin, F. Alves, T. Salditt, “Phase contrast zoom-tomography reveals detailed location of macrophages in mouse lungs,” Scientific reports 5, 2015
500µm dicke Schnitte von MauslungenMäuse haben 24h vor Präparation 1x106
BASO4 markierte Makrophagen erhalten
3D-Darstellung der Ergebnisse
Fettzellen
segmentiertes Blutgefäß
Bronche
BaSO4 gefüllte Makrophagen
500µm dicker Schnitt Mauslunge (ungefärbt in Agarose)
Humane Phasenkontrastanwendung – phase contrast breast CT
SYRMA (Synchrotron radiation for mammography)
- Anwendungen für Phasenkontrast-Mammographie an Patienten
- Vorstudien für Phasenkontrast-BrustCT an Patienten
http://www.elettra.eu/lightsources/elettra/elettra-beamlines/syrmep/syrma-synchrotron-radiation-for-mammography-project.html
Humane Phasenkontrastanwendung – phase contrast breast CT
Grade 2 In situ Ductal Carcinoma
BrustCT SR phase-contrast CT
MGD ≈ 5 mGy
Serena Pacile, EMIM 2017, Köln
Humane Phasenkontrastanwendung – phase contrast breast CT
Grade 2 In situ Ductal Carcinoma
BrustCT
SR phase-contrast CT
MGD ≈ 5 mGy
Zusammenfassung
Phasenkontrast ist der dominate Effekt in Weichgewebe Es gibt verschiedene Phasenkontrasttechniken Entweder limitiert durch nötige Auflösung (free
propagation) oder geringe Dosiseffizenz (edge illumination, grading based phase contrast)
Bereits erfolgreich bei Patienten angewendet (da aber meist nur mit Synchrotronstrahlung)
Bessere Röntgenquellen (höhere Kohärenz) würden für breitere Anwendung von PhasenkontrastCT sorgen
Danke für ihre Aufmerksamkeit!