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

christian.dullin@med.uni-goettingen.de

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!