Multiple scattering for diffraction enhanced X-ray imaging

Abstract

Materials which multiply scatter X-rays and consisting of weakly absorbing microstructures, such as lung tissue, deliver significant signals and remarkable contrast using the diffraction enhanced imaging (DEI) technique. The DEI technique is investigated with respect to multiple scattering properties and its applicability to soft tissue in order to improve medical diagnostics using phase contrast imaging as a new generation of radiography. Methods and calculation algorithms for extracting multiple scattering information by applying the DEI technique were recently developed considering ultra-small angle X-ray scattering. Algorithms and techniques developed in this work allow (i) extending the DEI technique to small-angle scattering of spherical and cylindrical micro-scattering particles, and (ii) computationally efficient analytical calculation of the scattering power by using the properties of a single scattering microparticle. This method was verified during several experiments at the large-scale facilities ELETTRA and ESRF using (i) synthetic specimens, and (ii) applying the calculations to a cow lung tissue specimen assuming alveolar air. While specimen preparation and deflation of the specimen led to uncertainties, the method was verified in this case by comparing the predicted scattering power of mouse lung tissue with Monte-Carlo simulations of the DEI group of Monash University, Melbourne (AUS). The influence of specimen substructure on multiple scattering is investigated and can be qualitatively reconstructed using the model of scattering elaborated in this work. Calculated scattering angle distributions predict strong influence of substructures on the scattering power. The instrumental effects of the analyser crystal, acting as an angular band-pass filter, on the multiple scattering power are analysed and simulated by calculation. Similar cut-offs by the analyser crystal are expected for soft tissue as for the synthetic specimens: The calculated scattering power of the cow lung tissue specimen as well as an exemplary calculation of the scattering power of a human lung for a frontal thorax exposure demonstrate a similar scattering power as the synthetic specimens.

Deutsch Materialien wie etwa Lungengewebe, die aus schwach absorbierenden, vielfachstreuenden Mikrostrukturen bestehen, zeigen unter Verwendung der „Diffraction Enhanced Imaging“ (DEI) Technik signifikante Signale und bemerkenswerten Bildkontrast. Die DEI Technik wird im Hinblick auf Eigenschaften der Vielfachstreuung und ihre Anwendungsmöglichkeit zur medizinischen Diagnostik als neue Generation phasenkontrastsensitiver Radiografie untersucht. Methoden und Algorithmen zur Bestimmung der Vielfachstreustärke unter Verwendung der DEI Technik sind aktuell nur für besonders kleine Streuwinkel verfügbar. Diese Arbeit zeigt Methoden und Berechnungen (i) zur Erweiterung des Streuwinkelbereiches unter Verwendung von kugel- und zylinderförmigen Streupartikeln, und (ii) die rechentechnisch effektive Bestimmung der Vielfachstreustärke unter Zurückführung auf die Streustärke des einzelnen Partikels. Die vorgestellte Berechnungsmethode wird anhand von Experimenten an den Großforschungseinrichtungen ELETTRA und ESRF unter Benutzung von (i) synthetischen Proben und (ii) der Anwendung der Berechnungen auf eine Probe einer Kuhlunge experimentell verifiziert. Während die Präparation und das Zusammenfallen der Lungenprobe zu Unsicherheiten führt, zeigt die vergleichsweise Berechnung zur Streuwirkung einer Mauslunge, die durch die DEI Gruppe der Monash Universität in Melbourne (AUS) mithilfe der Monte-Carlo Methode simuliert wurde, gute Übereinstimmung. Der Einfluss von Substrukturen auf die Vielfachstreuwirkung wird untersucht und ist unter Benutzung des in dieser Arbeit vorgestellten Streumodells qualitativ rekonstruierbar. Simulierte Streuwinkelverteilungen prognostizieren einen starken Einfluss von Substrukturen auf die Streustärke. Der instrumentelle Einfluss des Analysatorkristalls, der als Winkelfilter wirkt, wird im Falle von Vielfachstreuung analysiert und kann rechentechnisch nachgebildet werden. Ähnliche signalverzerrende Eigenschaften, die im Experiment mit den synthetischen Proben beobachtet wurden, werden für Lungengewebe erwartet. Die Probe der Kuhlunge und eine Hochrechnung für die Streustärke der menschlichen Lunge bei einer frontalen Thoraxaufnahme zeigen vergleichbare Streustärken mit den im Experiment verwendeten synthetischen Proben.

Italiano Materiali che causano la diffusione multipla di raggi X e che consistono di microstrutture poco assorbenti, come ad esempio il tessuto polmonare, producono segnali significativi e contrasti notevoli utilizzando la tecnica del “Diffraction Enhanced Imaging” (DEI). La tecnica DEI è investigata con particolare riguardo alle proprietà di diffusione multipla ed alle sue applicazioni all’imaging di tessuti molli col fine di migliorare la dignostica medica utilizzando il contrasto di fase come imaging radiografico di nuova generazione. Metodi ed algoritmi di calcolo per estrarre informazioni di diffusione multipla applicando la tecnica DEI sono stati recentemente sviluppati considerando la diffusione di raggi X a piccolissimo angolo. Le tecniche e gli algoritmi sviluppati in questo lavoro di tesi permettono (i) di estendere la tecnica DEI alla diffusione a piccolo angolo da micro particelle sferiche e cilindriche e (ii) di calcolare analiticamente e con un uso efficiente del calcolo numerico la potenza di diffusione utilizzando le proprietà di diffusione da una singola micro-particella. Questo metodo è stato verificato durante diversi esperimenti presso i grandi laboratori internazionali ELETTRA ed ESRF utilizzando (i) campioni sintetici e (ii) applicando i calcoli a campioni di tessuto polmonare di mucca assumendo aria negli alveoli. Poichè la preparazione del campione ed il suo deterioramento hanno portato ad alcune incertezze, il metodo in questo caso è stato verificato confrontando la potenza di scattering prevista nel caso di tessuto polmonare di topo con simulazioni Montecarlo del gruppo DEI dell’Università di Monash, Melbourne (AUS). L’influenza della sottostruttura del campione sulla diffusione multipla è stata investigata e può essere ricostruita qualitativamente utilizzando il modello di diffusione elaborato in questo lavoro di tesi. Le distribuzioni calcolate per l’angolo di diffusione predicono una forte influenza delle sottostrutture sulla potenza di diffusione. Si sono analizzati e ricostruiti mediante simulazioni gli effetti strumentali d cristallo analizzatore, che funge da filtro angolare passa-banda, sulla potenza di diffusione multipla. Effetti di taglio simili da parte del cristallo analizzatore sono attesi per i tessuti molli e per i campioni sintetici. La potenza di diffusione calcolata per i campioni di tessuto polmonare di mucca come pure un calcolo dimostrativo della potenza di diffusione di un polmone umano per una esposizione toracica frontale dimostrano una potenza di diffusione simile a quella dei campioni sintetici.