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
X-ray phase-contrast CO2 angiography for sub-10 mu m vessel imaging
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Biomedical and X-ray Physics.ORCID iD: 0000-0001-7637-1850
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Biomedical and X-ray Physics.ORCID iD: 0000-0002-9487-669X
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Applied Physics, Biomedical and X-ray Physics.ORCID iD: 0000-0003-3804-0561
Show others and affiliations
2012 (English)In: Physics in Medicine and Biology, ISSN 0031-9155, E-ISSN 1361-6560, Vol. 57, no 22, 7431-7441 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

X-ray in-line phase contrast has recently been combined with CO2 angiography for high-resolution small-animal vascular imaging at low radiation dose. In this paper we further investigate the potential and limitations of this method and demonstrate observation of vessels down to 8 mu m in diameter, considerably smaller than the 60 mu m previously reported. Our in-line phase-contrast imaging system is based on a liquid-metal-jet-anode x-ray source and utilizes free-space propagation to convert phase shifts, caused by refractive index variations, into intensity differences. Enhanced refractive index variations are obtained through injection of CO2 gas into the vascular system to replace the blood. We show rat-kidney images with blood vessels down to 27 mu m in diameter and mouse-ear images with vessels down to 8 mu m. The minimum size of observable blood vessels is found to be limited by the penetration of gas into the vascular system and the signal-to-noise ratio, i.e. the allowed dose. The diameters of vessels being gas-filled depend on the gas pressure and follow a simple model based on surface tension. A theoretical signal-to-noise comparison shows that this method requires 1000 times less radiation dose than conventional iodine-based absorption contrast for observing sub-50 mu m vessels.

Place, publisher, year, edition, pages
2012. Vol. 57, no 22, 7431-7441 p.
Keyword [en]
Future-Prospects, Angiogenesis, Retrieval, Agents
National Category
Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-109639DOI: 10.1088/0031-9155/57/22/7431ISI: 000310838700017Scopus ID: 2-s2.0-84869037603OAI: oai:DiVA.org:kth-109639DiVA: diva2:585018
Funder
Swedish Research Council, VR 2009-3142Knut and Alice Wallenberg Foundation, KAW 2011.0136
Note

QC 20130109

Available from: 2013-01-09 Created: 2013-01-08 Last updated: 2017-12-06Bibliographically approved
In thesis
1. Phase-Contrast X-Ray Carbon Dioxide Angiography
Open this publication in new window or tab >>Phase-Contrast X-Ray Carbon Dioxide Angiography
2014 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Phase-contrast x-ray imaging is an emerging technology, which allows for imaging of smaller features than conventional absorption-based x-ray imaging, with lower radiation dose. Instead of the attenuation that is normally used in x-ray imaging, it utilizes the phase shift introduced by an object to the transmitted x-rays. This phase shift can change the directions of the x-rays slightly, which can be measured in a few different ways. Propagation-based phase contrast, which is the method most used in this Thesis, detects these deviations using a high-resolution imaging detector at a distance from the sample. This Thesis describes how phase-contrast x-ray imaging can be used to image the internal structures of small animals like mice and rats. A technique for imaging of very small blood vessels has been developed and analyzed. By injecting a gas, such as carbon dioxide, into the vascular system, blood vessels down to 8 µm in diameter have been visualized. This is considerably smaller than the 50 µm vessels that can be imaged using iodine-based contrast agents at radiation doses compatible with living animals. A recently invented type of x-ray source, based on a jet of liquid metal as electron-beam target, has been used and further developed for the imaging purposes of this Thesis. Such metal-jet x-ray sources provide very high x-ray flux for the small x-ray spot sizes at which they operate, something that has been crucial for the quality of the phase-contrast images acquired.

Abstract [sv]

Faskontrastavbildning med röntgenstrålning är en relativt ny teknik som gör det möjligt att avbilda mindre detaljer än vanlig absorptionsbaserad röntgen, med lägre stråldos. Där normalt dämpningen av strålningen registreras, används istället det fasskift som strålningen får då den går genom ett objekt. Detta fasskift kan få röntgenstrålarna att ändra riktning, vilket kan mätas på olika sätt. Propagationsbaserad faskontrast, som har använts mest i denna avhandling, detekterar avvikelserna i fasen med hjälp av en röntgenkamera med hög upplösning en bit bakom objektet. Denna avhandling beskriver hur faskontrast kan användas för att avbilda inre strukturer i små djur som möss och råttor. En teknik för avbildning av mycket små blodkärl har utvecklats och analyserats. Genom att injicera en gas, såsom koldioxid, in i kärlsystemet har blodkärl ner till 8 µm i diameter visualiserats. Detta är betydligt mindre än de 50 µm-kärl som kan avbildas med jodbaserade kontrastmedel vid stråldoser som går att använda på levande försöksdjur. En nyligen uppfunnen typ av röntgenkälla, som skjuter elektroner på en stråle av flytande metall, har använts och utvecklats för avbildningen i denna avhandling. Dessa metallstrålekällor ger mycket röntgenstrålning för den lilla källpunkt de har, något som varit avgörande för kvaliteten på faskontrastbilderna i denna avhandling.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2014. ix, 66 p.
Series
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2013:70
National Category
Physical Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-139409 (URN)978-91-7501-971-0 (ISBN)
Public defence
2014-01-31, FD5, AlbaNova universitetscentrum, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research CouncilSwedish Foundation for Strategic Research
Note

QC 20140113

Available from: 2014-01-14 Created: 2014-01-13 Last updated: 2014-01-14Bibliographically approved
2. Small-Animal Imaging with Liquid-Metal-Jet X-Ray Sources
Open this publication in new window or tab >>Small-Animal Imaging with Liquid-Metal-Jet X-Ray Sources
2015 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Small-animal x-ray imaging is an important tool for medical research. The penetration power of x-rays makes it possible to investigate the 3D structure of small animals and other thick biological samples by computed tomography (CT). However, small-animal x-ray imaging often requires high resolution due to the small structures involved, and short exposure times due to sample movement. This constitutes a challenge, since these two properties require compact x-ray sources with parameters that are not widely available.

In this Thesis we present the first application of liquid-metal-jet sources for small-animal imaging. This source concept was invented at KTH just over ten years ago. The use of a high-speed metal jet as electron-beam target, instead of a solid anode, enables higher x-ray flux while maintaining a small x-ray spot for high-resolution imaging. In the present work, a liquid-metal jet source with a higher-energy spectrum has been developed. It has stronger 24 keV radiation compared to previous sources, which makes it more suitable for imaging of small animals and other few-cm-thick objects, which require the higher penetration of 20-35 keV x-rays.

We have applied the liquid-metal-jet x-ray sources for whole-body imaging of sacrificed mice and zebrafish. With high-resolution absorption-contrast CT we have visualized fine bone details of mice. We have also used phase contrast, a new method that can considerably improve imaging of, e.g., soft tissue, for demarcation of mm-sized tumors inside a full mouse and for mouse cartilage imaging. In zebrafish imaging, we have exploited the greatly enhanced contrast of phase-imaging to resolve single muscle fibers (and possibly even myofibrils) in whole zebrafish in a laboratory setting for the first time. The muscle structures have diameters in the 5-7 μm range and extremely low contrast, which makes them difficult to observe.

With phase contrast, we have demonstrated low-dose and high-resolution angiography of mouse and rat organs and tissues ex vivo. We show detection of blood vessels with diameters below 10 μm with radiation doses compatible with living small animals, which is not possible with absorption contrast and iodinated contrast agents. In addition, we have investigated the vascular network of tumors in mouse ears and visualized the chaotic arrangement of newly-formed blood vessels.

Finally, we present the first results from a new high-power liquid-metal-jet x-ray source prototype, operating at 10× the power of our previous sources, with the same x-ray spot size. This source constitutes an important step towards future in-vivo small-animal laboratory imaging with high resolution.

Abstract [sv]

Röntgenavbildning av små försöksdjur är en viktig metod inom medicinsk forskning. Röntgenstrålar penetrerar material, vilket gör det möjligt att undersöka 3D-strukturen hos försöksdjur och andra tjocka biologiska prov med hjälp av datortomografi (CT). Tyvärr kräver smådjursavbildning ofta dels hög upplösning, eftersom de relevanta strukturerna är små, dels korta exponeringstider, eftersom objektet tenderar att röra sig. Detta är en utmaning, då båda egenskaperna kräver kompakta röntgenkällor med speciella egenskaper som inte är brett tillgängliga.

I denna avhandling visar vi den första användningen av metallstråleröntgenkällor för avbildning av hela smådjur. Den här typen av röntgenkälla uppfanns vid KTH för drygt tio år sedan. Genom att låta elektronerna träffa en stråle av flytande metall, istället för en solid metallanod, kan vi generera mer röntgenstrålning men samtidigt behålla en liten källpunkt, vilket behövs för avbildning med hög upplösning. En ny metallstrålekälla utvecklades som en del av denna avhandling. Den ger ett röntgenspektrum med högre energier, vilket gör källan mer lämpad än tidigare källor för avbildning av små försöksdjur och andra centimetertjocka biologiska objekt.

Vi har använt metallstrålekällor för att avbilda intakta, avlivade möss och zebrafiskar. Med högupplöst absorptions-CT har vi detekterat små bendetaljer inuti möss. Vi har även använt faskontrastavbildning, en ny metod som avsevärt kan förbättra avbildning av mjukvävnad, till att demarkera millimeterstora tumörer inuti en hel mus, samt för avbildning av brosk i leder hos möss. Faskontrast ger en kraftig förstärkning av kontrasten i bilden, vilket även har använts för att för första gången detektera individuella muskelfibrer (och eventuellt även myofibriller) inuti zebrafiskar med en kompakt röntgenkälla. Muskelstrukturerna har diametrar på 5-7 μm och låg kontrast, vilket gör dem svåra att observera.

Med hjälp av faskontrast har vi utvecklat en metod för att avbilda blodkärl med diametrar under 10 μm inuti organ och vävnader från möss och råttor ex vivo, med stråldoser som är kompatibla med studier av levande smådjur. Detta är inte möjligt med konventionell absorptionskontrast och jod-baserade kontrastmedel. Vi har dessutom avbildat nyformade blodkärl kring tumörer i musöron och observerat kärlens kaotiska struktur.

Slutligen presenterar vi de första resultaten från en prototyp av en ny högeffektskälla. Källan har tio gånger högre effekt än tidigare metallstrålekällor, men bibehåller samma storlek på källpunkten. Den här högeffektskällan är ett viktigt steg mot framtida laboratoriebaserad avbildning av levande små försöksdjur med hög upplösning.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. ix, 69 p.
Series
TRITA-FYS, ISSN 0280-316X ; 2015:19
Keyword
X-ray, x-ray imaging, small animal, phase contrast, tomography
National Category
Physical Sciences
Research subject
Physics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-163169 (URN)978-91-7595-487-5 (ISBN)
Public defence
2015-04-24, Sal FA32, Albanova Universitetscentrum, Roslagstullsbacken 21, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20150331

Available from: 2015-03-31 Created: 2015-03-27 Last updated: 2015-04-01Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Lundström, UlfLarsson, Daniel H.Burvall, AnnaHertz, Hans M.

Search in DiVA

By author/editor
Lundström, UlfLarsson, Daniel H.Burvall, AnnaHertz, Hans M.
By organisation
Biomedical and X-ray Physics
In the same journal
Physics in Medicine and Biology
Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 78 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