Optimalizace energeticky citlivé rentgenové radiografie a tomografie pro zobrazování malých zvířat

Abstract

Rentgenová mikrotomografie (mikro-CT) je nedestruktivní zobrazovací metoda umožňující získání informací o vnitřních strukturách zkoumaného objektu ve formě virtuálního 3D modelu. Tato moderní zobrazovací metoda je neustále dostupnější a stává se široce využívaným nástrojem vědeckého výzkumu. Současná zařízení poskytují rutině prostorové rozlišení v řádu mikrometrů, nicméně lze již dosáhnout i rozlišení v řádu stovek nanometrů. Využití mikro-CT pro zobrazování malých zvířat přinesla řadu nových možností v biologickém a preklinickém výzkumu.Navzdory vysoké úrovni současných mikro-CT zařízení stále existují technologická omezení, která jsou předmětem nepřetržitého výzkumu. Kontrast obrazu poskytovaný běžně využívanými detektory je bohužel omezen přítomnosti takzvaného temného proudu, který je vedlejším produktem činnosti elektroniky detektoru. Dalším omezením mikro-CT zařízení, ale i klinických CT systémů, je neschopnost kvantitativního vyhodnocení získaných dat. Předkládaná dizertační se zabývá řešením obou zmíněných omezení využitím nové generace polovodičových detektorů počítajících jednotlivé fotony. Klíčovými parametry těchto detektorů je provoz s potlačeným temným proudem a schopnost měřit a rozlišit energii detekovaných fotonů. Potlačení temného proudu zvyšuje v datech odstup signálu od šumu a tím zvyšuje schopnost zachytit drobné detaily s malým kontrastem. Schopnost kategorizovat detekované fotony na základě jejich energií je základem tzv. spektrální (energeticky citlivé) radiografie a tomografie. Dizertační práce se zabývá vývojem metodiky měření, algoritmů zpracování dat a souvisejícího vybavení pro mikro-CT biologických vzorků s vysokým rozlišením a energetickou citlivostí s využitím polovodičových detektorů Timepix. Charakterizuje technologii Timepix ve vztahu k radiografickému zobrazování a prezentuje přímé srovnání vlastností detektorů Timepix s běžně používanými technologiemi určenými pro radiografické zobrazování s vysokým rozlišením. Klíčové výsledky jsou založeny na aplikovaném užití detektorů Timepix pro mikro-CT zobrazování širokého spektra biologických vzorků od celých laboratorních myší po jednobuněčné organismy. V některých případech bylo dosaženo velikosti voxelu menší než 600 nm. Hodnotné výsledky byly dosaženy zejména v případě snímání ex vivo vzorků biologických tkání. Dále jsou prezentovány unikátní výsledky spektrální mikrotomografie provedené na fantomovém objektu. Experimentálně získané výsledky potvrzují schopnost jednoznačné identifikace a kvantifikace několika materiálů současně díky algoritmu čtyř-kanálové materiálové dekompozice implementované v rámci dizertační práce. Podobné výsledky s využitím velkoplošných detektorů Timepix dosud nebyly zveřejněny. Schopnost kvantitativního měření v rámci výpočetní tomografie umožňují zcela nové aplikace radiografie a CT jako například molekulární zobrazování nebo současné zobrazování různých orgánových struktur s využitím několika dedikovaných kontrastních látek v rámci jediného CT skenu.

X-ray micro-CT (micro computed tomography), a non-destructive imaging modality providing 3D information on inner structures of an investigated object, has recently become a valuable tool that is widely used in scientific research. The current state-of-the-art laboratory micro-CT systems routinely provide spatial resolution of several micrometers; however, even sub-micron resolution can be nowadays achieved. Small animal X-ray imaging has enabled new approaches of research in biology and pre-clinical field. Despite the high level of state-of-the-art technologies, several known technology limitations are permanently subjects of continuous development. The conventional X-ray detection technologies suffer from the presence of so called-dark current that reduces the contrast-to-noise ratio of the data and consequently degrades the detectability of fine structures within the data. Furthermore, micro-CT or computed tomography in general, is not capable of quantitative measurements. This thesis addresses both mentioned drawbacks by utilizing a novel technology of photon-counting detectors for micro-CT imaging. The key advantages of photon-counting technology concerning X-ray imaging are based on dark-current-free operation and energy-resolving capabilities. Dark-current-free photon-counting provides and enhanced contrast of the obtained data, while the energy-resolving capability enables quantitative CT measurements by means of energy-sensitive or so-called spectral radiography and CT. The thesis focuses on the development of methods, data processing algorithms and associated equipment for high-resolution and energy sensitive X-ray micro-CT of biological samples using photon-counting detectors Timepix. The thesis characterizes the technology of photon-counting detectors and compares it with conventional X-ray imaging cameras. Furthermore, it introduces techniques for data acquisition, processing and hardware accessories developed within the thesis. The key results are based on the applied use of Timepix detectors for micro-CT imaging of diverse biological samples ranging from whole small animals to single-cell organisms. CT measurements with voxel size smaller than 600 nm have been carried out. Important results have been achieved especially in the case of micro-CT of ex vivo soft biology tissue. The thesis further presents unique results of spectral micro-CT measurements of a phantom object. Experimental results have proven the capability of simultaneous identification and quantification of multiple materials within the scanned object, by using self-implemented four-channel basis material decomposition. Such results achieved using large-area Timepix detectors have not been published so far. The ability of quantitative estimation of content of a target element can potentially open new application areas of CT imaging towards molecular imaging or simultaneous imaging of multiple contrast agents in a single scan.