Karakterisering van een hogesnelheids-X-stralen beeldvormingsopstelling voor gebruik in tomografie

Joaquim Sanctorum
Een nieuwe opstelling om aan hoge snelheden X-stralen computertomografie te doen, wordt gekarakteriseerd. De ruimtelijke resolutie van het systeem en de geometrie worden afgeschat. Met behulp van laser doppler vibrometrie en marker tracking wordt de stabiliteit van het nieuw ontworpen draaiplatform getest. Aan de hand van simulaties worden fouten in de gereconstrueerde beelden opgespoord.

Fysica in de medische wereld: van X-stralen tot CT-scan

“X-stralen? Zijn die niet gevaarlijk?” Uiteraard wel, maar als je er zorgvuldig mee omspringt, kunnen ze ook zeer nuttig zijn! In de medische wereld worden CT-scans veelvuldig gebruikt om verscheidene ziektebeelden vast te stellen. In mijn onderzoek trachten we een opstelling te karakteriseren, waarmee we op een minder gangbare manier, snel en veilig CT-scans kunnen uitvoeren.

Niet enkel Superman heeft X-ray vision
Toen Wilhelm Röntgen in 1895 toevallig een onbekende vorm van straling ontdekte, noemde hij dit ‘X-stralen’. In de volksmond zijn X-stralen daarom bekend als röntgenstralen. Röntgenstralen zijn een vorm van licht, die wij niet kunnen zien. Ze hebben zo’n grote energie dat ze door de meeste objecten niet volledig worden tegengehouden. Er bestaan echter speciale camera’s (detectoren), waarmee we ze wél kunnen opvangen.
Omdat X-stralen slechts deels door objecten worden tegengehouden, kunnen we met behulp van X-stralen door objecten heen kijken, wat niet kan met ‘gewoon’ licht. Je kan het nemen van een röntgenfoto, bijvoorbeeld voor je gebroken arm, vergelijken met een diaprojector. Lichtstralen worden door een dia gestuurd en op het scherm wordt een beeld geprojecteerd. Wanneer jij een röntgenfoto laat nemen, speel jij de rol van een dia en de X-stralen zijn de lichtbron. Op het scherm zie je dan een zogenaamde projectie (röntgenfoto) verschijnen van jouw gebroken arm.Kijken in 3D zonder 3D-bril
Het houdt niet op bij röntgenfoto’s! We kunnen deze projecties namelijk op hun beurt gebruiken om aan computertomografie (CT) te doen. CT is een proces waarbij zeer veel verschillende röntgenfoto’s gemaakt worden (typisch enkele honderden of duizenden) van hetzelfde object, maar onder allemaal verschillende hoeken. Uit al deze röntgenfoto’s wordt met een wiskundig algoritme op de computer een reconstructie gemaakt van het object in 3D. Aangezien röntgenfoto’s de binnenkant van een object blootleggen, houdt dit in dat we met een CT-scan de interne structuur van objecten kunnen gaan bekijken in 3D. Een arts kan dus met een CT-scan de interne structuur van een patiënt controleren zonder dat deze onder het mes moet.
Let op, het gebruik van X-stralen is niet ongevaarlijk. Ze kunnen het genetisch materiaal van cellen beschadigen, wat kan leiden tot bijvoorbeeld huidkanker, zoals het geval was bij Wilhelm Röntgen. Je kan wel zonder risico CT-scans laten nemen, zolang je tussen elke scan ongeveer drie of vier maanden wacht.

Zo gezegd, zo gescand! Of niet?
We nemen dus gewoon wat röntgenfoto’s, stoppen deze in een wiskundig algoritme en krijgen een 3D reconstructie van ons onderzocht object. Simpel, toch? Was het maar waar. Er zijn namelijk enkele zaken van groot belang bij het nemen van een CT-scan. Eerst en vooral moet de geometrie van het scansysteem nauwkeurig gekend zijn. Dit houdt in dat je tijdens de scan moet weten waar de X-stralenbron, de detector en het object zich bevinden ten opzichte van elkaar. Ook moet je nagenoeg exact weten onder welke verschillende hoeken alle röntgenfoto’s worden gemaakt. In een medisch CT-toestel is dit allemaal netjes gekend. Het enige wat jij moet doen als patiënt is in de scanner gaan liggen. Dan worden een X-stralenbron en een detector rondom je heen gedraaid zodat de nodige röntgenfoto’s genomen kunnen worden. De software op de computer doet de rest.De rollen omgedraaid
In het kader van mijn onderzoek willen we een opstelling bouwen waarmee we op een snelle en efficiënte manier jonge, kleine zoogdieren kunnen scannen, waarvan het motorisch systeem te traag ontwikkelt. We hopen met dit onderzoek modellen te bekomen die we ook kunnen toepassen op mensen. Op deze manier hopen we premature baby’s, die een motorische achterstand oplopen, een gepaste behandeling te geven. We willen deze opstelling zó ontwerpen, dat we CT kunnen combineren met X-stralenstereoscopie, een techniek waarbij we met X-stralen aan bewegingsanalyse kunnen doen. Ook zullen we gebruikmaken van twee X-stralenbronnen, die X-stralen produceren met een verschillende energie, zodat we meer kunnen zien op de gereconstrueerde beelden. Hiervoor hebben we nood aan een flexibele opstelling, die we kunnen bekomen door de CT-scan andersom uit te voeren.
In plaats van het onderzoeksobject statisch te laten en de X-stralenbron en detector hier rond te roteren, kan je ook de bronnen en detectoren op zijn plaats houden en het object laten ronddraaien. Het grootste nadeel van deze flexibele opstelling is natuurlijk dat, telkens wanneer je iets verandert aan de positie van de bronnen en detectoren, ook de geometrie van je scansysteem verandert. Herinner je dat deze gekend moet zijn voor het maken van een CT-scan. Ook moet je je object kunnen laten draaien, dus hiervoor heb je een stabiel rotatieplatform nodig dat (zeer) snel kan ronddraaien. Op deze manier duurt de scan niet lang en beperk je de dosis X-stralen die het object opneemt.

image

De opstelling doorgelicht
In mijn onderzoek heb ik de nieuwe opstelling onderzocht en mee klaargemaakt voor verder gebruik. We zijn nu bijvoorbeeld op de hoogte van de resolutie in de röntgenfoto’s die genomen worden. De resolutie zegt hoe klein de details zijn die we in de beelden kunnen onderscheiden, en deze bedraagt maar liefst 0,2 millimeter. Aangezien ook kennis van de geometrie van het systeem van groot belang is om een succesvolle reconstructie te bekomen, heb ik gezocht naar een manier om deze eenvoudiger te kunnen afschatten.

image

Om de objecten rond te draaien werd een draaiplatform ontwikkeld dat een volledige omwenteling kan uitvoeren in slechts 2 seconden. Met behulp van laser doppler vibrometrie, een techniek waarbij een laserstraal wordt gebruikt om snelheden op te meten, heb ik ontdekt dat er echter schommelingen bestaan in de draaisnelheid van het platform. Hierdoor werd het moeilijk om te weten onder welke hoeken de röntgenfoto’s werden opgenomen. Wanneer de verkeerde hoeken gebruikt worden in het wiskundig algoritme dat de reconstructie berekent, levert dit foute resultaten op. Door scans te nemen van een gekend object, heb ik de correcte hoeken kunnen bepalen en aangetoond met een simulatie dat de fouten in de reconstructies weggewerkt kunnen worden.

Nu we enkele basiseigenschappen van de opstelling kennen, kunnen we deze verder uitbouwen en het onderzoek uit de kinderschoenen laten treden!
 

 

Bibliografie

[1] Buzug T.M. Computed Tomography: From Photon Statistics To Modern Cone-Beam CT. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2008.

[2] Hsieh J. Computed Tomography: Principles, Design, Artifacts and Recent Advances. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2009.

[3] Saunders J. en Ohlerth S. “CT Physics and Instrumentation - Mechanical Design”. In: Veterinary Computed Tomography. Red. door Schwarz T. en Saunders J. John Wiley & Sons, 2011.
Hfdstk. 1, p. 1–8.

[4] Marin D. et al. “State of the Art: Dual-Energy CT of the Abdomen”. In: Radiology 271.2 (2014), p. 327–342.

[5] Straumit I. “Prediction of the effective properties of textile composites based on X-ray computed tomography data”. Proefschrift. KU Leuven, 2017.

[6] Papantoniou I. et al. “Three-Dimensional Characterization of Tissue-Engineered Constructs by Contrast-Enhanced Nanofocus Computed Tomography”. In: Tissue Enigineering: Part C 20.3
(2014), p. 177–187.

[7] Bushong S.C. Radiologic Science for Technologists: Physics, Biology, and Protection. 11de ed. St. Louis, Missouri: Elsevier, 2017.

[8] Leeser M. et al. “Parallel-Beam Backprojection: An FPGA Implementation Optimized for Medical Imaging”. In: Journal of VLSI Signal Processing 39 (2015), p. 295–311.

[9] Feldkamp L.A. et al. “Practical cone-beam algorithm”. In: Journal of the Optical Society of America 1.6 (1984), p. 612–619.

[10] Kak A.C. en Slaney M. Principles of Computerized Tomographic Imaging. New York: IEEE Press, 1999.

[11] Gilbert P. L.A. “Iterative Methods for the Three-dimensional Reconstruction of an Object from Projections”. In: Journal of Theoretical Biology 36 (1971), p. 105–l 17.

[12] Gregor J. en Benson T. “Computational Analysis and Improvement of SIRT”. In: IEEE Transactions On Medical Imaging 27.7 (2008), p. 918–924.

[13] Pickering C. J. D. en Halliwell N. A. “The Laser Vibrometer: a Portable Instrument”. In: Journal of Sound and Vibration 107.3 (1986), p. 471–485.

[14] Rothberg S.J. et al. “An international review of laser Doppler vibrometry: Making light work of vibration measurement”. In: Optics and Lasers in Engineering 99 (2017), p. 11–22.

[15] Yeh Y. en Cummins H.Z. “Localized Fluid Flow Measurements With An He-Ne Laser Spectrometer”. In: Applied Physics Letters 4.10 (1964), p. 176–178.

[16] Rothberg S.J. et al. “Radial vibration measurements directly from rotors using laser vibrometry: The effects of surface roughness, instrument misalignments and pseudo-vibration”. In:
Mechanical Systems and Signal Processing 33 (2012), p. 109–131.

[17] Polytec Technology. https : / / www . polytec . com / int / vibrometry / technology / $laser - doppler-vibrometry/. Bezocht op: 05/04/2018.

[18] Watrasiewicz B.M. en Rudd M.J. Laser Doppler measurements. Londen: Butterworths, 1976.

[19] 3D2YMOX: Technical information. https : / / www . uantwerpen . be / en / research - groups / 3d2ymox/technical-information/. Bezocht op: 18/05/2018.

[20] Leeds Test Objects. https://www.leedstestobjects.com. Bezocht op: 07/04/2018.

[21] Edmund Optics: Introduction to Modulation Transfer Function. https://www.edmundoptics.com/resources/application-notes/optics/introdu….
Bezocht op: 09/04/2018.

[22] Gopala Rao U.V. en Bates L.M. “The Modulation Transfer Functions of X-Ray Focal Spots”. In: Physics in Medicine & Biology 14.1 (1968), p. 93–106.

[23] Morgan R.H. “Frequency response function: valuable means of expressing infomational recording capability of diagnostic x-ray systems”. In: The American Journal of Roentgenology, Radium Therapy and Nuclear Medicine 88 (1962), p. 175–186.

[24] Coltman J.W. “Specification of imaging properties by response to sine-wave input”. In: Journal of the Optic Society of America 44 (1954), p. 468–471.

[25] Gopala Rao U.V. “A new method to determine the focal spot size of X-ray tubes”. In: American Journal of Roentgenology 111.3 (1971), p. 628–633.

[26] Yellott J.I. en Yellott J.W. “Correcting spurious resolution”. In: Journal of Vision 5 (2010), p. 97– 97.

[27] Polytec Vibrometry: OFV-5000 Modular Vibrometer. https://www.polytec.com/eu/vibrometry/products / single - point - vibrometers / ofv - 5000 - modular - vibrometer/. Bezocht op: 19/04/2018.

[28] Polytec: OFV-5000 Modular Controller Datasheet. https://www.polytec.com/fileadmin/d/
Vibrometrie/OM_DS_OFV-5000_E_42346.pdf. Bezocht op: 19/04/2018.

[29] XMAlab: Overview. https://bitbucket.org/xromm/xmalab/overview. Bezocht op: 02/05/2018.

[30] Knorlein B. et al. “Validation of XMALab software for marker-based XROMM”. In: Journal of Experimental Biology (2016).

[31] XMAlab Wiki: X-ray Camera Calibration. https://bitbucket.org/xromm/xmalab/wiki/Xray%
20Camera%20Calibration. Bezocht op: 03/05/2018.

[32] Van Aarle W. et al. “Fast and flexible X-ray tomography using the ASTRA toolbox”. In: Opt. Express 24.22 (2016), p. 25129–25147.

[33] Van Aarle W. et al. “The ASTRA Toolbox: A platform for advanced algorithm development in electron tomography”. In: Ultramicroscopy 157 (2015), p. 35–47.

Universiteit of Hogeschool
Master in de fysica
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Joris Dirckx
Kernwoorden