Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Removal of ring artifacts in microtomography by characterization of scintillator variations
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Biomedical and X-ray Physics.
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Biomedical and X-ray Physics.ORCID iD: 0000-0002-9637-970X
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Biomedical and X-ray Physics.ORCID iD: 0000-0003-2723-6622
2017 (English)In: Optics Express, ISSN 1094-4087, E-ISSN 1094-4087, Vol. 25, no 19, p. 23191-23198Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Ring artifacts reduce image quality in tomography, and arise from faulty detector calibration. In microtomography, we have identified that ring artifacts can arise due to highspatial frequency variations in the scintillator thickness. Such variations are normally removed by a flat-field correction. However, as the spectrum changes, e. g. due to beam hardening, the detector response varies non-uniformly introducing ring artifacts that persist after flat-field correction. In this paper, we present a method to correct for ring artifacts from variations in scintillator thickness by using a simple method to characterize the local scintillator response. The method addresses the actual physical cause of the ring artifacts, in contrary to many other ring artifact removal methods which rely only on image post-processing. By applying the technique to an experimental phantom tomography, we show that ring artifacts are strongly reduced compared to only making a flat-field correction.

Place, publisher, year, edition, pages
OPTICAL SOC AMER , 2017. Vol. 25, no 19, p. 23191-23198
National Category
Physical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-215825DOI: 10.1364/OE.25.023191ISI: 000411584600089Scopus ID: 2-s2.0-85029526180OAI: oai:DiVA.org:kth-215825DiVA, id: diva2:1149900
Note

QC 20171017

Available from: 2017-10-17 Created: 2017-10-17 Last updated: 2018-09-06Bibliographically approved
In thesis
1. Laboratory x-ray fluorescence tomography
Open this publication in new window or tab >>Laboratory x-ray fluorescence tomography
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

X-ray fluorescence (XRF) tomography is an emerging bio-imaging modality with potential for high-resolution molecular imaging in 3D. In this technique the fluorescence signal from targeted nanoparticles (NPs) is measured, providing information about the spatial distribution and concentration of the NPs inside the object. However, present laboratory XRF tomographysystems typically have limited spatial resolution (>1 mm) and suffer from long scan times and high radiation dose even at high NP concentrations, mainly due to low efficiency and poor signal-to-noise ratio (SNR). Other macroscopic biomedical imaging methods provide either structural information with high spatial resolution (e.g., CT) or functional/molecularinformation with lower resolution (e.g., PET).

In this Thesis we present a laboratory XRF tomography system with high spatial resolution (sub-200 μm), low NP concentration and vastly reduced scan times and dose, opening up the possibilities for in vivo small-animal imaging research. The system consists of a high-brightness liquid-metal-jet microfocus x-ray source, x-ray focusing optics and two photon counting detectors. By using the source’s characteristic 24 keV line emission together with spectrally matched molybdenum NPs the Compton background is greatly reduced, increasing the SNR. Each measurement provides information about the spatial distribution and concentration of the NPs, as well as the absorption of the object. An iterative method is used to get aquantitative reconstruction of the XRF image. The reconstructed absorption and XRF images are finally combined into a single 3D overlay image.

Using this system we have demonstrated high-resolution dual CT and XRF imaging of both phantoms and mice at radiation doses compatible with in vivo small-animal imaging.

Abstract [sv]

Röntgenfluorescenstomografi (RFT) är en framväxande avbildningsteknik med potential för högupplöst molekylär avbildning i 3D. Den här tekniken mäter fluorescenssignalen från nanopartiklar vilket ger information om både nanopartiklarnas distribution och koncentration inuti objektet. Nuvarande kompakta system har begränsad upplösning (>1 mm), långa mättider och hög stråldos även vid höga koncentrationer av nanopartiklar, främst på grund av låg effektivitet och dåligt signal-brus-förhållande. Andra makroskopiska avbildningsmetoder ger antingen morfologisk information med hög upplösning (e.g., datortomografi) eller funktionell/molekylär information med lägre upplösning (e.g., positronemissionstomografi).

I denna avhandling presenterar vi ett kompakt RFT-system med hög upplösning (200 μm), låg nanopartikelkoncentration och drastiskt reducerade mättider och dos, vilket öppnar upp möjligheter för in vivo-forskning på smådjur. Systemet består av en metallstrålekälla, röntgenoptik och två fotonräknande detektorer. Genom att använda källans karakteristiska emissionslinje vid 24 keV tillsammans med spektralt matchade molybden-nanopartiklar minskar bakgrunden från Comptonspridning drastiskt, vilket ökar signal-brus-förhållandet. Varje mätning ger både information om nanopartiklarnas distribution och koncentration, samt om objektets absorption. En iterativ metod används för att ge en kvantitativ rekonstruktion av röntgenfluorescensbilden. De rekonstruerade röntgenfluorescens- och absorptionsbilderna kombineras slutligen till en enda 3D-bild.

Med det här systemet har vi demonstrerat högupplöst avbildning av både fantomer och möss vid stråldoser som är kompatibla med in vivo-avbildning av smådjur.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. xi, 67
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2018:16
Keywords
x-ray, fluorescence, x-ray fluorescence, nanoparticle, xrf, xfct, tomography
National Category
Physical Sciences
Research subject
Physics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-233149 (URN)978-91-7729-796-3 (ISBN)
Public defence
2018-09-07, FR4, Albanova Universitetscentrum, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20180816

Available from: 2018-08-16 Created: 2018-08-15 Last updated: 2018-08-16Bibliographically approved
2. High-resolution biomedical phase-contrast tomography
Open this publication in new window or tab >>High-resolution biomedical phase-contrast tomography
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Improved three-dimensional biomedical imaging can give a better understanding of tissue structure, growth and diseases. Most present imaging techniques that provide cellular spatial resolution are based on visible or infrared light. These methods cannot image deeper than a millimeter into tissue. Consequently, larger samples cannot be completely imaged without sectioning. Techniques that are typically used to image larger samples don't provide sufficient contrast and resolution to image cellular-sized features in soft tissues. There is a need for new imaging methods that can fill the gap between present methods. For practical reasons, compact equipment is preferred, to enable close connection to other research and applications. Furthermore, minimized sample preparation both reduces the work needed and the time until results are ready.

In this Thesis, propagation-based phase-contrast tomography with liquid-metal-jet x-ray sources has been investigated for high-resolution three-dimensional biomedical imaging. By using phase contrast, the contrast for cellular-sized features in soft tissue is vastly increased compared to absorption, also in larger samples. The high resolution relies on using an x-ray source with small emission spot, but also with high power to keep exposure times reasonable.

This Thesis is about developing and optimizing experimental methods and image reconstruction algorithms. A new method to remove ring artifacts was developed and tested, and a comparison of multi-material phase-retrieval algorithms was made. The improvements provide better contrast and resolution, as well as reduce noise and artifacts. The improved image quality is demonstrated in a few biomedical applications. It is shown that the method can image 5 µm large myofibrils in whole-body zebrafish, despite the small size and low contrast of myofibrils. A high-resolution tomography of a mouse can be done fast by using a specialized high-power source. The image quality in tomographies of both human coronary arteries and a mummified human hand is sufficient to analyze the tissues and cellular-sized features, which is something that could be called virtual histology. 

Abstract [sv]

Förbättrad tredimensionell biomedicinsk avbildning kan ge en bättre förståelse av vävnadsstruktur, tillväxt och sjukdomar. De flesta av dagens avbildningstekniker som ger cellulär upplösning är baserade på synligt eller infrarött ljus. Dessa metoder kan inte avbilda mer än en millimeter ner i vävnad. Därför kan inte större prov avbildas i sin helhet utan att snittas. Tekniker som vanligen används för att avbilda större prover ger inte tillräcklig kontrast och upplösning för att avbilda strukturer av cellulär storlek i mjuk vävnad. Det finns ett behov av nya avbildningsmetoder som kan fylla utrymmet mellan befintliga metoder. Av praktiska skäl föredras att använda kompakt utrustning, för att möjliggöra nära koppling till annan forskning och tillämpningar. Dessutom, minimerade förberedelser av proven reducerar både arbetsinsatsen och tiden tills resultaten är klara.

I den här doktorsavhandlingen har propagationsbaserad faskontrast- \mbox{tomografi} med metallstråleröntgenkällor undersökts för högupplöst tredimensionell avbildning. Genom att använda faskontrast kan kontrasten för strukturer av cellulär storlek i mjukvävnad ökas markant jämfört med absoption, även i större prover. Den höga upplösningen hänger på användandet av en röntgenkälla med liten emissionsspot, men även med hög effekt för att hålla exponeringstider korta.

Den här doktorsavhandlingen handlar om att utveckla och optimera experimetella metoder och bildrekonstruktionsalgoritmer. En ny metod för att ta bort ringartefakter utvecklades och testades, och en jämförelse av flermaterials-fasrekonstruktion gjordes. Förbättringarna ger bättre kontrast och upplösning, men minskar också brus och artefakter. Den förbättrade bildkvaliteten visas i några biomedicinska tillämpningar. Det visas att metoden kan avbilda 5 µm stora myofibriller i hela zebrafiskar trots den lilla storleken och låga kontrasten hos myofibriller. En högupplöst tomografi av en mus kan göras snabbt genom att använda en specialiserad högeffektskälla. Bildkvaliteten i tomografier av både mänskliga kranskärl och en mummifierad mänsklig hand är tillräcklig för att analysera vävnader och strukturer av cellulär storlek, vilket är något som skulle kunna kallas virtuell histologi.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 63
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2018:34
Keywords
x-ray, x-ray imaging, biomedical, phase contrast, tomography, zebrafish, coronary artery, virtual histology, ring artifacts, phase retrieval, mummy
National Category
Physical Sciences Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
Research subject
Physics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-234300 (URN)978-91-7729-915-8 (ISBN)
Public defence
2018-10-05, FD5, Albanova Universitetscentrum, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20180907

Available from: 2018-09-07 Created: 2018-09-06 Last updated: 2018-09-07Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Larsson, Jakob C.Hertz, Hans

Search in DiVA

By author/editor
Vågberg, WilliamLarsson, Jakob C.Hertz, Hans
By organisation
Biomedical and X-ray Physics
In the same journal
Optics Express
Physical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 13 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf