Scattering and Refraction as Contrast Mechanisms in X-Ray Imaging

Differentiation of various types of soft tissues is of high importance in medical imaging, because changes in soft tissue structure are often associated with pathologies, such as cancer. However, the densities of different soft tissues may be very similar, making it difficult to distinguish them in absorption images. This is especially true when the consideration of patient dose limits the available signal-to-noise ratio. Refraction is more sensitive than absorption to changes in the density, and small angle x-ray scattering on the other hand contains information about the macromolecular structure of the tissues. Both of these can be used as potential sources of contrast when soft tissues are imaged, but little is known about the visibility of the signals in realistic imaging situations. In this work the visibility of small-angle scattering and refraction in the context of medical imaging has been studied using computational methods. The work focuses on the study of analyzer based imaging, where the information about the sample is recorded in the rocking curve of the analyzer crystal. Computational phantoms based on simple geometrical shapes with differing material properties are used. The objects have realistic dimensions and attenuation properties that could be encountered in real imaging situations. The scattering properties mimic various features of measured small-angle scattering curves. Ray-tracing methods are used to calculate the refraction and attenuation of the beam, and a scattering halo is accumulated, including the effect of multiple scattering. The changes in the shape of the rocking curve are analyzed with different methods, including diffraction enhanced imaging (DEI), extended DEI (E-DEI) and multiple image radiography (MIR). A wide angle DEI, called W-DEI, is introduced and its performance is compared with that of the established methods. The results indicate that the differences in scattered intensities from healthy and malignant breast tissues are distinguishable to some extent with reasonable dose. Especially the fraction of total scattering has large enough differences that it can serve as a useful source of contrast. The peaks related to the macromolecular structure come to angles that are rather large, and have intensities that are only a small fraction of the total scattered intensity. It is found that such peaks seem to have only limited usefulness in medical imaging. It is also found that W-DEI performs rather well when most of the intensity remains in the direct beam, indicating that dark field imaging methods may produce the best results when scattering is weak. Altogether, it is found that the analysis of scattered intensity is a viable option even in medical imaging where the patient dose is the limiting factor.

Lääketieteellisessä kuvantamisessa on usein tarve erottaa toisistaan tiheydeltään hyvin samankaltaisia kudoksia, erityisesti pehmytkudoksista tehtävien tutkimusten yhteydessä, kuten mammografiassa. Tavallinen röntgensäteiden vaimenemiseen perustuva kuvantaminen ei kykene erottelemaan tiheydeltään samankaltaisia kudoksia toisistaan erityisen hyvin. Aiemmin on havaittu röntgensäteiden taittumisen olevan paljon herkempi kudosten välisille tiheyseroille kuin vaimenemisen. Myös röntgensäteiden sirontakuviot, jotka johtuvat säteiden suunnan hajautumisesta, riippuvat kudostyypistä. Sirontaa kudoksista on tutkittu pääasiassa ohuilla kudosnäytteillä, käyttämällä hyvin voimakasta röntgensäteilyä. Todellisissa lääketieteellisissä kuvantamisessa kohteet ovat selvästi paksumpia kuin ohuet kudosnäytteet, ja röntgensäteen voimakkuutta on rajoitettava potilaaseen kohdistuvan säteilyannoksen takia. Tässä työssä tutkittiin sirontakuvioiden näkymistä kun nämä käytännön tilanteissa rajoittavat tekijät otetaan huomioon. Kudokset sirottavat ja taittavat röntgensäteitä hyvin pienelle kulma-alueelle, joten havaintojen tekemiseen tarvitaan erityisen herkkiä laitteita. Eräs tapa havaita nämä pienet suunnanmuutokset säteiden kulussa on käyttää kidehilaa heijastamaan tiettyyn kulmaan tulevat röntgensäteet. Tällaista hilaa kutsutaa analysaattorikiteeksi, ja sen asentoa muuttamalla saadaan mitattua eri kulmissa tulevien röntgensäteiden voimakkuuksia. Analysaattoriin perustuva kuvantaminen (engl. analyzer based imaging, ABI) mahdollistaa säteen kulkusuunnassa tapahtuneiden muutosten mittaamisen mikroradiaania paremmalla tarkkuudella. Tässä tutkimuksessa mallinnettiin tietokoneella ABI-kuvausmenetelmää, ja tutkittiin laskennallisesti eri tyyppisistä näytteistä tulevan sironnan näkymistä. Erityisesti kiinnitettiin huomiota siihen, kuinka suuri potilaaseen kohdistuva säteilyannos tarvitaan sironnan luotettavan näkymisen mahdollistamiseksi. Sironnan kokonaisvoimakkuuden muutosten havaittiin näkyvän melko selkeästi. Sirontakuvion yksityiskohtien, kuten esimerkiksi sirontapiikkien paikkojen ja leveyksien, havaittiin puolestaan näkyvän huonosti. Tulokset osoittavat, että sironnan kokonaismäärässä tapahtuvat muutokset voivat olla hyvä kontrastin lähde lääketieteellisen kuvantamisen kannalta, mahdollistaen sellaisten kudosten erottamisen toisistaan, jotka eivät tavallisessa vaimenemiseen perustuvassa kuvantamisessa erotu.