Optimization of dose in relation to image quality in synchrotron based tomographic lung-imaging

Abstract

Introduction: Lung imaging with synchrotron light sources is currently a widely studied field. The
image resolution and quality are remarkable and the level of detail possible to study the smallest
structures, the alveoli, of the lungs cannot be obtained by any other non-invasive imaging modality with
the current technology. The most common and useful type of lung imaging with brilliant light sources
is tomographic imaging which is being performed exclusively on rodents at the current state. However,
in the case of tomographic imaging with synchrotron light sources the absorbed doses to the samples
are high due to the high photon flux. Although exposure times don’t extend a few milliseconds the
number of irradiated angles is normally in the order of 900. Thus, the main objective was to investigate
whether there is an optimal number of projection angles that should be used in order to maximize image
quality while simultaneously minimizing the dose to the sample i.e. maximize the image quality-to-dose
ratio. A subobjective of the study was to investigate the improvement of image quality when generating
phase contrast images compared to standard absorption contrast images.

Materials and Methods: A tomographic acquisition of static mouse lungs were performed at the
TOMCAT beamline of SLS. In the frameworks of Python, the data was reconstructed with all
projections (900) using two different reconstruction algorithms, Gridrec and SIRT. For the investigation
of the subobjective the data was reconstructed, by both algorithms, with and without the application of
a phase retrieval algorithm. The main investigation was done by generating 8 images with each
reconstruction algorithm. The images were generated with a decreasing number of projection angles.
The first included all the projection angles, the second kept only every other projection, the third kept
every third etc. Thus, the number of used projection angles for the 8 images were 900, 450, 300, 225,
180, 150, 128 and 112 respectively. ESD was used as dose concept and CNR as a measure of image
quality. The theoretical ESD was calculated for the images with different number of projection angles
and CNR. Finally, the CNR-ESD ratio was determined.

Results: As Kitchen et. al. (2017) suggests it could be seen that the image quality was greatly improved
with the application of phase retrieval to generate phase contrast images in comparison to standard ACimages.
This was the case when using both the Gridrec and SIRT algorithms for reconstruction as the

Popular Abstract (Swedish)

Bildgivning av lungor har länge varit och är än ett viktigt forskningsområde eftersom
lungkomplikationer är en stor anledning till sjuklighet och dödlighet över hela världen. Med
den fortsatta forskningen och de förbättrade avbildningarna ökar kunskapen, vilken bidrar till
förbättrad sjukvård. I dagsläget utförs en stor mängd lungavbildningar med
synkrotronljuskällor. Dessa är ljusstarka röntgenkällor som ger möjlighet till att producera
högupplösta avbildningar med mycket hög bildkvalitet i förhållande till ordinarie lungröntgenavbildningar
som utförs inom bland annat sjukvården. I dagsläget är lungavbildningar
med synkrotronljuskällor fortfarande i ett prekliniskt stadie och samtliga avbildningar görs på
gnagare och andra representativa djur. Det är i förstahand tomografiska bilder som skapas, vilka
är snittade bilder av hela den undersökta volymen. Vid insamling av tomografiska bilder med
synkrotronljuskällor roteras den undersökta volymen i samband med att strålningen inkommer.
För att få en avbildning med god bildkvalitet måste en stor mängd vinklar bestrålas, ju fler desto
bättre bildkvalitet, normalt bestrålas omkring 900 vinklar. En större mängd bestrålade vinkar
innebär däremot även att strålningsdosen till objektet blir högre. Syftet med denna studie var
således att undersöka om det finns ett optimalt antal projektionsvinklar att bestråla för att få så
hög bildkvalitet som möjligt till så låg kostnad av absorberad dos till det undersökta objektet
som möjligt. En mindre utredning om huruvida lungavbildning baserad på fasskiftet av
röntgenstrålningen ger bättre kontrast än avbildning baserad på absorptionen av
röntgenstrålningen var också ämnad att göras inom ramen för denna studie.

Resultatet från jämförelsen mellan bilderna från fasskifte respektive absorption visade entydigt
på att bilderna genererade med fasskifte hade åtminstone 18 gånger bättre bildkvalitet. Utifrån
analysen av det producerade undersökningsmaterialet för den egentliga frågeställningen,
upptäcktes att det inte finns ett entydigt värde på antal projektionsvinklar som är optimalt för
att maximera bildkvaliteten samtidigt som dosen till objektet minimeras. Det upptäcktes att det
uppstår en platå när man fortsätter att minska antalet projektionsvinklar under 400. Det innebär
att det finns flera antal projektionsvinklar som optimerar bildkvaliteten i förhållande till den
absorberade dosen i objektet. Det kan konstateras från upptäckten att vid användning av upp
till 400 projektionsvinklar får man ”mest bildkvalitet för den absorberade dosen”. Däremot kan
det inom ramen för denna studie inte avgöras om alla dessa bilder är användbara. Den ena
anledningen är att det finns flera andra mått på bildkvalitet, såsom upplösning, som inte berörs
i denna studie. Den andra och viktigaste anledningen till att användbarheten av dessa bilder inte
kan avgöras är att lung-bilder genererade med synkrotronljuskällor förutsätter möjligheten till
binärisering (bilden behandlas så att det som syns antigen är luft eller alveoler) för att kunna
analyseras. Resultatet från den utförda studien sätter alltså ramen för en ny studie i syfte att
besvara frågeställningen om huruvida det är möjligt att binärisera alla (eller någon av) bilderna
genererade med upp till 400 projektionsvinklar.

• author: Mohammed Ali, Sajad
• supervisor: Rajmund Mokso
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 8995806
• date added to LUP: 2019-09-27 09:04:59
• date last changed: 2019-09-27 09:04:59