Medical imaging is a cornerstone of modern clinical practice. Here, X-ray imaging is the given choice for rapid morphological imaging with excellent spatial resolution, albeit with sensitivity often insufficient for resolving subtle pathological changes to soft tissues. Fundamentally, the sensitivity issue is due to the image contrast traditionally being based on differential X-ray attenuation (i.e., absorption and scattering) where attenuation properties of soft tissues are often very similar. Improving the sensitivity of clinical X-ray imaging therefore requires moving beyond conventional attenuation contrast.

Motivated by the above, this Thesis explores two alternative contrast mechanisms in the preclinical domain, yet with a clinical outlook: X-ray fluorescence and X-ray phase contrast. These mechanisms are demonstrated both experimentally on animal models (in vivo) and computationally on virtual anatomical phantoms (in silico). Specifically, we developed instrumentation for in vivo X-ray fluorescence imaging of mice injected with nanoparticle contrast agents, demonstrating a path towards molecular X-ray imaging with higher spatial resolution (< 0.5 mm) than established molecular modalities (e.g., PET & SPECT) and roughly 10× higher sensitivity (~ 0.1 mM) compared to conventional attenuation contrast. Furthermore, we showed that the terminal bronchioles (diameters down to ~ 60 μm) could be resolved in free-breathing mice under anesthesia using X-ray imaging boosted by phase contrast. Lastly, we showed through in silico modeling that the extension of X-ray phase contrast to human lungs could potentially enable visualization of small airways (diameters below 2 mm) which are invisible to attenuation contrast alone. In summary, this Thesis provides experimental and computational demonstrations indicating that both X-ray fluorescence and X-ray phase contrast could provide a path towards clinical X-ray imaging with improved sensitivity.

Medicinsk avbildning är en viktig grundsten inom modern klinisk praktik. Här är röntgenavbildning det givna valet för snabb strukturell avbildning med hög upplösning, dock med en känslighet som oftast inte räcker för att upplösa små patologiska förändringar inom mjuka vävnader. Känslighetsproblemet grundar sig i att kontrasten i traditionella röntgenbilder uppstår genom skillnader i attenuering av röntgenstrålningen (p.g.a. absorption och spridning) där attenueringsegenskaperna hos olika vävnader oftast är väldigt lika. Förbättring av känsligheten hos röntgenavbildning kräver därmed att man ser bortom attenueringskontrast.

Mot denna bakgrund undersöker föreliggande avhandling två alternativa kontrastmekanismer i en preklinisk kontext men med klinisk tillämpning i sikte: röntgenfluorescens och faskontraströntgen. Dessa mekanismer demonstreras både experimentellt på djurmodeller (in vivo) samt med beräkningar på virtuella anatomiska fantomer (in silico). Bland annat demonstrerade vi experimentell avbildning med  röntgenfluorescens på möss in vivo injicerade med nanopartiklar som kontrastmedel som ett koncept för molekylär röntgenavbildning med högre spatial upplösning (< 0.5 mm) än nuvarande molekylära avbildningsmodaliteter (t.ex. PET & SPECT) samt en faktor 10× högre känslighet (~ 0.1 mM) jämfört med traditionell attenueringskontrast. Vidare visade vi att de minsta bronkiolerna (med diametrar ner till 60 μm) kunde upplösas i möss under anestesi utan mekanisk ventilering genom avbildning med faskontraströntgen. Slutligen visade vi med in silico modellering att faskontraströntgen tillämpat på människolungor skulle kunna ha potential för att visualisera små luftvägar (med diametrar under 2 mm) som är osynliga genom enbart attenueringskontrast. Sammanfattningsvis innehåller denna avhandling experiment och beräkningar som indikerar att både röntgenfluorescens och faskontraströntgen är lovande kontrastmekanismer för klinisk röntgenavbildning med förbättrad känslighet.