Phasenkontrast in der CT Bildgebung

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1 Phasenkontrast in der CT Bildgebung Phasenkontrast-CT, Mauslunge in-situ, 9µm pixel size Christian Dullin, Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie, UMG Göttingen, Germany & SYRMEP beamline, Italian Synchrotron light source Elettra Trieste Italy

2 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

3 Das Prinzip der Röntgenbildgebung Kontrast = Unterschiede in Schwächung der Röntgenstrahlung = lokale Elektronendichte Grundprinzip unverändert seit 1895 Röntgenbild eines Kusses Mausembryo, Wolframlösung, 2.5µm pixel size

4 Free propagation based phase contrast Komplexer Brechungsindex n = 1-d+ib Linearer Schwächungskoeffizient µ = 4pb/l atomarer Wechselwirkungsquerschnitt ~ Wahrscheinlichkeit des Effektes Phasenverschiebung ist der dominate Prozess in Weichgewebe Partielle Kohärenz erlaubt free propagation phase contrast Bildgebung 24keV Momose A. (1995) d sinkt quadratisch mit E, b mit der dritten Ordnung

5 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. eigentliches Synchrotron Beamline bending Magnet Image courtesy of the Australian Synchrotron. Speichering Amerika 9; Asien 15; Europa 18; Ozeanien 1; Mittlerer Osten 4

6 Synchrotronstrahlung als kohärente Röntgenquelle ~10 6 mal größere Intensität als klassische Röntgenröhre effektiver Quelle Proben Abstand ~25m Synchrotron Light Source Elettra, => partiel kohärent Trieste, Italy gefiltert auf (DE/E ~ 1*10-3 ) image courtesy Australian synchrotron image courtesy Elettra synchrotron

7 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

8 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)

9 Phase retrieval II FBP TIE 7cm 30cm 100cm 7cm 30cm 100cm CNR air-tissue ~ 10x mehr Kontrast steepness of fit 57% 100% 15% 8% 7% 5%

10 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 free propagation phase contrast in einem CT klassischer Bauform nicht für den Patienten anwendbar LCM-scaffold, skyscan 1272 microct, pixel size 3µm, Objekt-Detektorabstand 22cm A) links RAW data, rechts nach phase retrieval B,C) Kantenschärfe + Grauwerthistogramm B) Raw data, C) nach phaseretrieval D) vergleichende 3D Darstellung

11 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: (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, Published 8 March 2007 Nachteile: - phase stepping benötigt => multiple scans - phase grating und analyzer grating blocken einen Großteil der Strahlung => geringe Dosiseffizienz

12 neue Kontraste in der Röntgenbildgebung Lung Ribs Aufgenommen mit einer Röntgenröhre 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

13 Phasenkontrast ermöglicht Dosisreduktion Phasenkontrast erlaubt Dosisreduktion (Steigerung der Aufnahmegeschwindigkeit) für virtuelle Histologie Mausherz (Wolframlösung), ~2µm Auflösung, Scanzeit 3min

14 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)

15 Phasenkontrast erlaubt cell-tracking mit CT Ziel: simultane Bildgebung von strukturellen Veränderungen und der Biodistribution von Makrophagen in Lungen eines Maus-Asthmamodells immortalized alveolar macrophages Barium containing CT contrast agent 6x10 6 Makrophagen intra-tracheale Gabe in asthmatische Mäuse und gesunde Kontrolltiere NIR fluorescence cell membrane label 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 cryosections einer asthmatischen Lunge

16 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 mm 3 ) 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.

17 CT Bildgebung mit subzellulärer Auflösung 500µm dicke Schnitte von Mauslungen Mäuse haben 24h vor Präparation 1x10 6 BASO 4 markierte Makrophagen erhalten voxel size 0.4µm 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

18 3D-Darstellung der Ergebnisse Fettzellen BaSO 4 gefüllte Makrophagen Bronche segmentiertes Blutgefäß 500µm dicker Schnitt Mauslunge (ungefärbt in Agarose)

19 Humane Phasenkontrastanwendung phase contrast breast CT SYRMA (Synchrotron radiation for mammography) - Anwendungen für Phasenkontrast- Mammographie an Patienten - Vorstudien für Phasenkontrast- BrustCT an Patienten

20 Humane Phasenkontrastanwendung phase contrast breast CT Grade 2 In situ Ductal Carcinoma Serena Pacile, EMIM 2017, Köln BrustCT MGD 5 mgy SR phase-contrast CT

21 Humane Phasenkontrastanwendung phase contrast breast CT Grade 2 In situ Ductal Carcinoma BrustCT SR phase-contrast CT MGD 5 mgy

22 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!