J ULIA H ERZEN P HYSICS D EPARTMENT & I NSTITUTE FOR M - - PowerPoint PPT Presentation

Biomedizinische ¡Physik ¡I ¡| ¡A.1 ¡Röntgendiagnos:k ¡| ¡A.1.3. ¡Detek:on ¡von ¡Röntgenstrahlen ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1 ¡

14.06.2016, ¡MPP ¡COLLOQUIUM, ¡MUNICH ¡

GRATING-­‑BASED ¡X-­‑RAY ¡IMAGING ¡

JULIA ¡HERZEN ¡ PHYSICS ¡DEPARTMENT ¡& ¡INSTITUTE ¡FOR ¡MEDICAL ¡ENGINEERING ¡ ¡ TECHNISCHE ¡UNIVERSITÄT ¡MÜNCHEN ¡ ¡

TUM ¡Garching ¡Campus ¡

Chair for Biomedical Physics @ TUM 55 staff (incl. students), 3 Mill. € /year budget 1200 m2 biomedical & x-ray labs

IMETUM

¡

Physics-­‑Department ¡

Biomedical ¡Physics ¡Group ¡

‚State-­‑of-­‑the-­‑art‘ ¡ex-­‑vivo ¡micro ¡CT ¡

4 ¡

Rabbit ¡heart, ¡stained ¡with ¡IKI ¡ ¡ Stephenson ¡et ¡al.| ¡Plos ¡One ¡7(4)| ¡2012 ¡ ¡ Mouse ¡knee ¡and ¡organs, ¡stained ¡with ¡I2KI ¡ ¡ Vickerton ¡et ¡al.| ¡J. ¡Anat. ¡223| ¡2013 ¡ ¡ Chicken ¡heart, ¡stained ¡with ¡IKI ¡ ¡

• M. ¡Zdora|unpublished| ¡2011 ¡ ¡

ConvenLonal ¡X-­‑Ray ¡Radiography ¡

detector ¡

• bject ¡

AMenuaLon ¡Contrast ¡

5 ¡

n = 1 − δ + iβ

X-­‑ray ¡interacLon: ¡

• Compton ¡ScaYering ¡
• Photo-­‑electric ¡absorp:on ¡

Courtesy: ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

detector ¡

• bject ¡

α ¡

phase ¡shi^, ¡refrac:on, ¡ scaYering ¡& ¡diffrac:on ¡

‘Wave-­‑OpLcal’ ¡X-­‑ray ¡Radiography ¡ Phase ¡Contrast ¡

6 ¡

n = 1 − δ + iβ

Courtesy: ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

7 ¡

3 ¡Ländertagung ¡der ¡ÖGMP, ¡DGMP ¡und ¡SGSMP ¡| ¡30.09.2011 ¡| ¡Julia ¡Herzen ¡| ¡julia.herzen@ph.tum.de ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

ESRF, ¡Grenoble ¡ PETRA ¡3, ¡Hamburg ¡

7 ¡

Synchrotron ¡Sources ¡

8 ¡

Phase-­‑contrast ¡ MicroCT ¡ Conven:onal ¡ MicroCT ¡

8 ¡

Tapfer ¡& ¡Pfeiffer ¡et ¡al ¡| ¡PlosONE ¡8 ¡| ¡2013 ¡ ¡

Phase-­‑contrast ¡methods ¡

Crystal ¡Interferometer ¡ Bonse ¡& ¡Hart ¡1965 ¡

Φ ¡

Förster ¡1980 ¡& ¡Davis ¡1995 ¡

Crystal ¡Analyzer ¡

dΦ/dx ¡

Snigirev ¡1995, ¡Cloetens ¡& ¡Wilkens ¡1996 ¡

PropagaLon-­‑based ¡Imaging ¡

ΔΦ ¡

Momose ¡2003 ¡& ¡David ¡2002 ¡

GraLng-­‑based ¡Methods ¡

dΦ/dx ¡

9 ¡

GraLng-­‑Based ¡Phase-­‑Contrast ¡Imaging ¡

phase ¡gra:ng ¡ analyzer ¡gra:ng ¡ detector

α = λ 2π rΦ

Pfeiffer ¡et ¡al ¡| ¡PRL ¡| ¡2005; ¡Weitkamp ¡et ¡al ¡| ¡Op:cs ¡Express ¡| ¡2005; ¡Pfeiffer ¡et ¡al ¡| ¡Nature ¡Physics ¡| ¡2006 ¡

X-­‑Ray ¡OpLcal ¡Transmission ¡GraLngs ¡

Si Si

anisotropic ¡wet ¡etching ¡& ¡ electroplaLng ¡

• C. ¡David ¡et ¡al., ¡

¡ Paul ¡Scherrer ¡Ins:tut/ ¡CH ¡ LIGA ¡(X-­‑ray ¡lithography) ¡

• J. ¡Mohr ¡& ¡J. ¡Schulz, ¡

¡ Karlsruhe ¡Ins:tute ¡of ¡Technology ¡ & ¡microworks/ ¡DE ¡

11 ¡

ExtracLon ¡of ¡Three ¡Image ¡Signals ¡

transmission ¡ phase ¡ gradient ¡ scaMering/ ¡ ¡ dark-­‑field ¡

via ¡‘fringe ¡scanning’ ¡or ¡‘phase ¡stepping’ ¡

Pfeiffer ¡| ¡Nature ¡Materials| ¡2008 ¡

12 ¡

MulL-­‑modal ¡X-­‑ray ¡Imaging ¡

Dark-­‑field ¡contrast ¡ AbsorpLon ¡contrast ¡

13 ¡

Phase ¡contrast ¡

Extending ¡to ¡Laboratory ¡Sources ¡

Pfeiffer ¡et ¡al ¡| ¡Nature ¡Physics ¡| ¡2006 ¡

14 ¡

Intensität ¡

Table-­‑top ¡Talbot-­‑Lau ¡Interferometer ¡

15 ¡

X-­‑ray ¡Source ¡ Detector ¡ Sample ¡in ¡ water ¡bath ¡

X-­‑ray ¡Source: ¡ ¡ Mo ¡rotaLng ¡anode ¡ 40 ¡kVp ¡ 70 ¡mA ¡ Detector: ¡ ¡ Pilatus ¡100k ¡

• Eff. ¡pixel ¡size: ¡ ¡

100 ¡μm ¡ ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

Improving ¡Image ¡Quality ¡ Less ¡Noise ¡– ¡Higher ¡Sensi:vity ¡for ¡Phase ¡Shi^s ¡

Tapfer ¡et ¡al ¡| ¡PLosONE ¡| ¡2013 ¡

Image ¡Quality ¡2012 ¡ Image ¡Quality ¡2015 ¡

Birnbacher ¡et ¡al ¡| ¡in ¡prepara:on| ¡2016 ¡ ¡

Improving ¡Image ¡Quality ¡ Comparison ¡Synchrotron ¡vs. ¡X-­‑ray ¡tube ¡

X-­‑ray ¡Tube ¡ Synchrotron ¡ Resolu:on: ¡ 20 μm ¡ ¡ ¡ ¡ ¡100 ¡ ¡μm ¡ Scan ¡:me: ¡ 3 ¡h ¡ ¡ ¡ ¡ ¡12 ¡h ¡

Tapfer ¡et ¡al ¡| ¡PLosONE ¡| ¡2013 ¡ Birnbacher ¡et ¡al ¡| ¡in ¡prepara:on| ¡2016 ¡ ¡

Improving ¡Image ¡Quality ¡ High ¡Resolu:on ¡& ¡High ¡Sensi:vity ¡(Rat ¡Brain) ¡ ¡

18 ¡

AbsorpLon ¡contrast ¡ Phase ¡contrast ¡

5 ¡mm ¡

Resolu:on: ¡29 ¡μm, ¡photon-­‑coun:ng ¡Detector; ¡Viermetz ¡et ¡al ¡| ¡in ¡prepara:on| ¡2016 ¡ ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

dark-­‑field ¡contrast ¡mammography ¡for ¡ ¡ classifica:on ¡of ¡micro-­‑calcifica:ons ¡

Scherer ¡et ¡al ¡| ¡submiYed| ¡2016 ¡ absorp:on ¡ dark-­‑field ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

dark-­‑field ¡contrast ¡mammography ¡for ¡ ¡ classifica:on ¡of ¡micro-­‑calcifica:ons ¡

Scherer ¡et ¡al ¡| ¡submiYed| ¡2016 ¡ absorp:on ¡ dark-­‑field ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

Scherer ¡et ¡al ¡| ¡Scien:fic ¡Reports| ¡2015 ¡ absorp:on ¡ dark-­‑field ¡

dark-­‑field ¡contrast ¡imaging ¡for ¡ ¡ classifica:on ¡of ¡kidney ¡stones ¡

Our ¡Dream: ¡BeMer ¡Clinical ¡X-­‑Ray ¡DiagnosLcs ¡

X-­‑ray ¡tube ¡results ¡ ¡ Clinical ¡X-­‑ray ¡CT ¡

22 ¡

First ¡small-­‑animal ¡phase-­‑contrast ¡CT ¡scanner ¡

Tapfer ¡et ¡al ¡| ¡Med ¡Phys ¡| ¡2011 ¡& ¡Tapfer ¡et ¡al ¡| ¡PNAS ¡| ¡2012 ¡

From ¡bench ¡to ¡(mouse) ¡bed-­‑side… ¡ ¡

includes ¡life ¡support: ¡

• temperature ¡stabiliza:on ¡
• breathing ¡detec:on ¡(CCD) ¡

Tapfer ¡et ¡al ¡| ¡Med ¡Phys ¡| ¡2011 ¡& ¡Tapfer ¡et ¡al ¡| ¡PNAS ¡| ¡2012 ¡

TranslaLon ¡to ¡in-­‑vivo ¡experiments ¡

absorpLon ¡image ¡ phase-­‑contrast ¡image ¡ dark-­‑field ¡image ¡

Bech ¡et ¡al ¡| ¡Nature ¡Scien:fic ¡Reports ¡|2013 ¡

total ¡exposure ¡:me: ¡20 ¡sec, ¡total ¡dose: ¡approx. ¡3.5 ¡mGy ¡

X-­‑ray ¡Dark-­‑Field ¡Imaging ¡& ¡Lung ¡Diseases ¡

COPD: ¡„Chronic ¡obstrucJve ¡pulmonary ¡disease” ¡

ranked ¡as ¡the ¡fourth/ ¡fi^h ¡leading ¡cause ¡of ¡death, ¡with ¡tendency ¡to ¡increase ¡ ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

emphysema ¡diagnos:cs ¡in ¡in-­‑vivo ¡mouse ¡models ¡ ¡

Meinel ¡et ¡al ¡| ¡Inves:ga:ve ¡Radiology ¡|2014 ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

Meinel ¡et ¡al ¡| ¡Inves:ga:ve ¡Radiology ¡|2014 ¡

emphysema ¡diagnos:cs ¡in ¡in-­‑vivo ¡mouse ¡models ¡ ¡

Lehrstuhl ¡für ¡Biomedizinische ¡Physik ¡| ¡Franz ¡Pfeiffer ¡

staging ¡of ¡emphysema ¡in ¡in-­‑vivo ¡mouse ¡models ¡ ¡

Hellbach ¡et ¡al ¡| ¡Inves:ga:ve ¡Radiology| ¡2015 ¡

@TUM ¡PC-­‑CT ¡prototype, ¡total ¡dose ¡~300 ¡mGy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Velroyen ¡et ¡al ¡| ¡EBiomedicine ¡| ¡2015 ¡

first ¡in-­‑vivo ¡small-­‑animal ¡dark-­‑field ¡CT ¡images ¡

MulLmodality ¡for ¡materials ¡science ¡

Damage ¡in ¡cement/mortar ¡

31 ¡

Structure ¡of ¡concrete ¡

Cement/ ¡Concrete ¡Hardening ¡ ¡

Prade ¡et ¡al ¡| ¡Cement ¡and ¡Concrete ¡Research ¡74 ¡| ¡2015 ¡

Collabora:on ¡with ¡Prof. ¡C. ¡Grosse/Chair ¡for ¡Non-­‑ destruc:ve ¡Tes:ng ¡(TUM) ¡

32 ¡

Cement/ ¡Concrete ¡Hardening ¡ ¡

Collabora:on ¡with ¡Prof. ¡C. ¡Grosse/Chair ¡for ¡Non-­‑ destruc:ve ¡Tes:ng ¡(TUM) ¡

Prade ¡et ¡al ¡| ¡Cement ¡and ¡Concrete ¡Research ¡74 ¡| ¡2015 ¡ 33

¡

Cement/ ¡Concrete ¡Hardening ¡ ¡

Prade ¡et ¡al ¡| ¡Cement ¡and ¡Concrete ¡Research ¡74 ¡| ¡2015 ¡ 34

¡

Conclusions ¡

Phase-­‑Contrast ¡CT ¡for ¡ ¡ Biomedical ¡and ¡Materials ¡Research ¡ Dark-­‑Field ¡Radiography ¡ ¡ for ¡Materials ¡Characteriza:on ¡ Resolving ¡internal ¡structures ¡ ¡ below ¡the ¡image ¡resolu:on! ¡ Dark-­‑Field ¡for ¡beYer ¡Diagnos:cs ¡ Classifica:on ¡of ¡calcifica:ons ¡in ¡ ¡ Breast ¡and ¡Kidney! ¡

Acknowledgements ¡

...E17 ¡group ¡@ ¡TUM, ¡especially ¡Marian ¡Willner, ¡Lorenz ¡Birnbacher, ¡Manuel ¡Viermetz, ¡ ¡ Kai ¡Scherer, ¡Friedrich ¡Prade ¡and ¡Franz ¡Pfeiffer ¡ ¡

Acknowledgements ¡

• P. ¡Noel, ¡T. ¡Baum, ¡R. ¡Braren, ¡J. ¡Bauer, ¡A. ¡Fingerle, ¡D. ¡Muenzel, ¡E. ¡Rummeny ¡

Department ¡of ¡Radiology, ¡Klinikum ¡rechts ¡der ¡Isar ¡TUM ¡

• S. ¡Auweter, ¡H. ¡HeMerich, ¡F. ¡Meinel, ¡S. ¡Grandl, ¡K. ¡Hellerhoff, ¡F. ¡Bamberg, ¡ ¡
• K. ¡Hellerhoff, ¡B. ¡Ertl-­‑Wagner, ¡T. ¡Saam, ¡M. ¡Reiser ¡

Ins@tute ¡for ¡Clinical ¡Radiology, ¡Klinikum ¡Grosshadern ¡& ¡LMU ¡Munich ¡

• F. ¡Koch, ¡J. ¡Meiser, ¡T. ¡Schroeter, ¡D. ¡Kunka, ¡M. ¡Amberger, ¡M. ¡Walter, ¡ ¡
• J. ¡Schulz, ¡J. ¡Mohr ¡
• J. ¡Maisenbacher, ¡J. ¡Gibmeier, ¡A. ¡Wanner ¡

Karlsruhe ¡Ins@tute ¡for ¡Technology ¡& ¡microworks, ¡Karlsruhe ¡

• F. ¡Yang, ¡R. ¡Kaufmann, ¡M. ¡Griffa ¡

Empa ¡-­‑ ¡Swiss ¡Federal ¡Laboratories ¡for ¡Materials ¡Science ¡and ¡Technology ¡

Funding ¡by: ¡

Biomedizinische ¡Physik ¡I ¡| ¡A.1 ¡Röntgendiagnos:k ¡| ¡A.1.3. ¡Detek:on ¡von ¡Röntgenstrahlen ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡38 ¡

THANK ¡YOU ¡VERY ¡MUCH ¡ ¡

FOR ¡YOUR ¡ATTENTION ¡!

¡