X-ray fluorescence imaging : experimental and numerical analysis of a crystal based concept
Creators: name: Rosentreter, Tanja
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2021
Subjects: subject: Radiologie
subject: 530

description: Hintergrund und Ziele: Diagnostische Bildgebung auf Basis von Röntgenfluoreszenz (XRF für X-ray fluorescence) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren welches sowohl molekulare als auch morphologische Bildinformationen liefern kann. Mit geringen Mengen an Kontrastmittel soll die Detektorempfindlichkeit und die räumliche Auflösung verbessert werden, was für den Bereich der vorklinischen Forschung von besonderem Interesse ist. Um die Sensitivität und Auflösung zu erhöhen müssen jedoch noch lange Scanzeiten in Kauf genommen werden, die auf die üblicherweise geringen Detektorflächen zurückzuführen sind, welche nur einen geringen Raumwinkelanteil des isotropisch emittierten XRF-Signals einfangen können. Eine weitere Beeinträchtigung stellt der hohe Anteil an einfach- und mehrfachgestreuten Hintergrundphotonen im resultierenden XRF-Spektrum dar, welche mit steigender Phantomgröße (Phantom: speziell hergestellter Prüfkörper zur Überprüfung der Leistung von bildegebenden Instrumenten) das XRF-Signal zunehmend überdeckt. Beide Defizite können deutlich verringert werden, indem monochromatische Röntgenstrahlung verwendet wird, so wie sie von Synchrotrons bereitgestellt wird. Diese sind jedoch mit hohen Kosten und einem nur begrenzten Zugang verbunden. Andere Herangehensweisen, um die oben genannten Probleme zu lösen, konzentrieren sich primär auf die Verbesserung der Systeme zur Detektion/Rekonstruktion und die Entwicklung neuer geeigneter monochromatischer Röntgenquellen. Die vorliegende Arbeit widmet sich den genannten Problemen mit den vorhandenen Mitteln einer industriellen polychromatischen Röntgenröhre und einem energieaufgelösten Röntgendetektor. Ziel ist es, großflächige Detektoren (großer Raumwinkel) mit reduzierter Energieauflösung zusammen mit energieselektierenden HOPG/HAPG Kristallen (Reduktion von kontaminierenden Hintergrundphotonen) mit intrinsischer Mosaizität hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in der XRFBildgebung zu untersuchen. Materialien und Methoden: Zur Untersuchung der XRF-Bildgebung wurde ein experimenteller Aufbau mit folgenden Elementen entworfen: Industrielle polychromatische Röntgenquelle, HOPG Kristall (Mosaizität: 0,4°), kleinflächiger CdTe-basierter Detektor mit hoher Energieauflösung und einer Bingröße von ca. 86 eV, und Jod als Kontrastmittel, mit K -Emissionslinie bei etwa 28,6 keV. Für die Durchführung einer Messserie mit/ohne HOPG wurde ein einfaches Teströhrchen-Phantom und ein PMMA-Phantom in der Größe einer Maus verwendet, welche mit mehreren Kontrastmittelkonzentrationen befüllt wurden. Die Verteilung der Hintergrundphotonen wurde mit einem zusätzlichen Phantom gemessen und die zugeführte Röntgendosis (Luftkerma) wurde mit zwei Ionisationskammern erfasst. Um die resultierenden XRFSpektren von fehlerhaften Anteilen, die von Detektoreffekten herrühren, zu bereinigen, wurde ein umfangreicher Korrekturalgorithmus (stripping algorithm) entwickelt und angewendet. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit einem XRF-Monte-Carlo- Code, welcher mit GEANT4 entwickelt wurde, simuliert und validiert. Weitere Effekte, die die Mosaizität des Kristalls und die Detektor-Charakteristika berücksichtigen, wurden mithilfe eines weiteren Korrekturalgorithmus realisiert. Der XRF-Code wurde außerdem verwendet, um den Einfluss auf das XRF-Signal durch Detektorgröße, Bingröße, intrinsische Energieauflösung und Kristall-Mosaizität zu untersuchen. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Der Einsatz von energieselektierenden HOPG/- HAPG Kristallen in ein System zur XRF-Bildgebung bewirkt, dass der Energiebereich des XRF-Signals im resultierenden Spektrum hervorgehoben wird, während die übrigen Energiebereiche unterdrückt werden. Für große Bingrößen ist das Verhältnis von XRF-Signal zu Streuuntergrund unter Einsatz des HOPGs gegenüber dem Setup ohne Kristall deutlich verbessert. Selbst bei reduzierter intrinsischer Energieauflösung, welche mit einer Verringerung des XRF-Signals einhergeht, liefert ein Setup mit HOPG-Kristall bei großen Bingrößen bessere Ergebnisse, als ein Setup ohne HOPGKristall. Zusätzlich wird das XRF-Signal durch den Einsatz von HOPG/HAPGKristallen mit noch geringeren Mosaizitäten verstärkt. Demnach ermöglicht die Verwendung von HOPG/HAPG Kristallen den Einsatz von Detektoren mit reduzierter Energieauflösung und großen Bingrößen für die XRF-Bildgebung. Die Übertragung dieser Ergebnisse auf tomographische bildgebende Methoden würde es ermöglichen, Bilder zu generieren, welche nicht nur geometrische, sondern auch molekulare Strukturen abbilden könnten. Des Weiteren würde die Strahlzeit und demnach auch die zugeführte Röntgendosis signifikant reduziert, was den Weg dafür ebnet, großflächige Detektoren für in vivo diagnostische XRF-Bildgebung einzusetzen.
description: Background and aim: Diagnostic imaging based on X-ray fluorescence (XRF) is a non-invasive imaging technique with the capability to provide molecular and morphological information with very low tracer concentrations (nanoparticles; NPs) and high spatial resolution and is thus of great interest in preclinical research. However, in order to fur-ther increase the detector sensitivity and spatial resolution, XRF imaging still requires unacceptably large irradiation times and/or high tracer contrast agent concentrations. The reason for this is the small sensitive area of suitable XRF detectors that only cover a minimum fraction of the solid angle of the isotropically emitted XRF signal. Also, contaminating single or multiple scattered background photons in the resulting XRF spectrum hide the XRF signal. The larger the phantom size (phantom: a spe-cially designed object used for performance tests of various imaging devices), the more spurious photons deteriorate the XRF signal yield. Both deficiencies can be consid-erably reduced by implementing monochromatic initial X-radiation such as provided by synchrotron facilities, which however are impractical for diagnostic and therapeutic approaches in daily medical practice due to their high costs and limited access. Other approaches aiming to reduce the radiation dose while maintaining high sensitivity and resolution images predominantly focus on improving the detection/reconstruction sys-tem or on advancing the research for generating new suitable and accessible monochro-matic X-ray sources. This thesis tackles the above-mentioned challenges by using the existing resources of polychromatic X-rays and an energy resolved X-ray detector. The aim is to investigate the feasibility of XRF imaging of large area detectors (large angular coverage) with moderate energy resolution together with an energy-selective filtering system (reduction of spurious background photons) of mosaic HOPG/HAPG crystals. Materials and Methods: A proof-of-principle XRF imaging setup was developed using an industrial polychromatic X-ray source, an HOPG crystal with 0.4° mosaicity, a small area semiconductor CdTe-based detector with high energy resolution and bin size of ≈ 86 keV, and iodine as contrast agent with a Kα emission line at ≈ 28.6 keV. A series of XRF measurements with/without HOPG with a simple test tube phan-tom and a mouse sized PMMA phantom was conducted using various contrast agent concentrations. The background photon distribution was studied with an additional PMMA phantom and the applied X-ray dose (air kerma) was recorded with two ioni-sation chambers. For cleansing the XRF spectra from spurious counts due to detector effects, a comprehensive spectrum correction stripping algorithm was developed and applied. The experimental findings were simulated and validated with an XRF Monte Carlo code developed with GEANT4. Additional effects accounting for crystal mosaicity and realistic detector characteristics were realised in a supplementary spectrum cor-rection code. The XRF code was further promoted in order to scrutinise the influence on the XRF signal of detector size, bin size, intrinsic energy resolution, and crystal mosaicity. Results and Conclusion: Implementing energy-selecting mosaic HOPG/HAPG crystals in an XRF imaging setup, elevates the energy region of interest (XRF signal region) and suppresses all other energy regions in the resulting XRF spectra. The consider-able reduction of spurious background photons thus relaxes the high demands on the detection system in terms of intrinsic energy resolution and bin size. In particular for large bin sizes the HOPG substantially outperforms an imaging setup without mosaic crystal. A decrease in the energy resolution correlates with a decline of the XRF signal yield, which however for large bin sizes still shows better results in a setup including the crystal than for a setup omitting it. Implementing HOPG/HAPG crystals with lower mosaicities further significantly improves the XRF signal yield. Mosaic crystals therefore facilitate the application of large area detectors with reduced intrinsic en-ergy resolution and large bin sizes in the framework of XRF imaging. Integrating these findings into tomographic imaging methods would generate images with geometrical and molecular features. Moreover, the irradiation time and consequently the applied X-ray dose could be considerably reduced, thus paving the way for in vivo diagnostic XRF imaging.