Röntgenmikroskopi (transmission mod) fungerar efter samma princip som en lådkamera. Man använder en röntgenkälla med mycket liten yta, och låter den belysa en stor röntgenbildsensor som monteras på avstånd. Förstoringen beror på var på linjen mellan källan och detektorn man monterar sitt objekt.
Upplösningen i bilden påverkas av röntgenbildsensors upplösning och av röntgenkällans fokalpunkt (focal spot), det vill säga storleken på ytan som avger fotoner. I arbetet jämförs en större bildsensor med en mindre bildsensor som har högre upplösning. Det övergripande syftet är att utreda begränsningar i olika uppställningar för röntgenmikroskopi, alltså olika typer av objekt kan avbildas i en given mikroskopiuppställning.
1.3 Frågeställning
- Vad är det som påverkar upplösningen vid röntgenmikroskopi?
Påverkar röntgenkällans fokalpunkts storlek upplösningen?
- Utreda begräsningar för en större kommersiell detektor (Innocare) jämfört med en mindre direktkonverterande detektor (Medipix3)?
1.4 Avgränsningar
Denna studie kommer att ske under 10 veckor vilket leder till att studien kommer att avgränsas och inte bli för bred. Studien kommer att avgränsas till mätning av upplösning för två olika röntgenbildsensorer. Detektorerna som används i studien är en direktkonverterande kiseldetektor från CERN-projektet Medipix, och en 17 tums amorf kiseldetektor med CsI scintillator för
konvertering från röntgenspektrum till ljus.
1.5 Syfte och verifierbara mål
Projektets och rapportens syfte är att med utvecklings och mätmetoder utföra och verifiera.
- Medipix, 25st mätningar, 5st avstånd, fokalpunkt storlek ändrades genom att ändra strömmen.
- Innocare, 5st mätningar, 3st avstånd.
- Beräkning av uppskattad storlek på fokalpunkt vid olika strömmar.
- Redogörelse för begränsningar i uppställning- o Begränsning i största storlek som kan avbildas o Begränsning i minsta detalj som syns på avbildning 1.6 Översikt
Kapitel 1 kommer att beskriva röntgen och användningen av röntgen, kapitel 2 beskriver optik, mikroskop och röntgenmikroskop. Kapitel 3 beskriver
metoden som användes för arbetet och kapitel 4 och 5 beskriver resultatet samt diskussionen för resultatet.
2 Teori
För att kunna dra nytta av informationen i rapporten samt förstå ämnet är det viktigt att känna till teorin bakom fokalpunkt och hur detektorerna Medipix3 och Innocare fungerar. Samtidigt ska det beskrivas om mikroskop,
röntgenmikroskop och information om optik.
2.1 Medipix
Medipix är en detektor som är en variant av fotonräknare och
partikelspårningspixeldetektorer som utvecklades i CERN av ett internationellt samarbete. Lagret för denna sensor är halvledare som kan bestå av kisel, GaAs eller CdTe. När en strålning träffar lagret för sensorn skapas det ett elektronhål.
Därefter samlas laddningen till pixeldetektorer sen leds de vidare via
bultbindningar till CMOS-elektronskiktet. Pixelelektroniken förstärker signalen och jämför signalamplituden med en förinställd energitröskel. Den behandlade signalen kommer att bero på vilken typ av Medipix som används. En standard Medipix-detektor ökar räknaren så att den får en lämplig pixel om signalen ligger över energitröskelnivån [5].
Medipix3 funkar som en kamera, den tar bilder baserat på antalet partiklar som träffar pixlarna när den elektroniska slutaren är på. På pixelnivå har det
implementerats laddningssummering och tilldelningsschema som ger möjligheten till att få konkret bindning för de inkommande fotoner som övervinner effekterna av fluorescens och laddningsdiffusion [6].
Medipix3 designades inom ramen för samarbeten för foton- och
partikeldetektering med kommersiell 0,13𝜇𝑚 COMS-teknik som har ytan 15,88x14,1 𝑚𝑚. Varje pixel innehåller analoga kretsar, där varje krets består av en laddningskänslig förstärkare, en halv Gaussisk formare och två
diskriminationer där de har i uppgift att styra de nedre och övre
tröskelnivåerna. En 5 bitars digital-till-analog omvandlare innehåller varje diskriminator varpå minskar tröskeldispersionen som kan vara orsakad av felaktighet i transistorer [7].
2.2 Mikroskop
Ett mikroskop är ett instrument som ger möjligheten till att förstora små föremål och inte går att se med blott öga. Tekniken som detta instrument använder sig av kallas för mikroskopi. För att kunna se celler och deras uppbyggnad kan man använda mikroskop med synligt ljus. Vid 1900-talet för att få högre upplösning och undersöka virus använde man sig av fotografering med ultraviolett ljus. Under senare år och utveckling använde man sig av elektronmikroskop som ger ännu högre upplösning än fotografering med ultraviolett ljus [6].
Den första mikroskopdesign uppfanns av Galileo Galilei, där han samlade in ljus från ett prov genom en objektlins och använde sig av en till lins som förstorade bilden [8]. Men Galileis uppfinning publicerades aldrig och senare i tiden gjorde Robert Hooke ett sammansatt mikroskop som är mer lik den mikroskop som används idag jämfört med Galileis mikroskop. Hookes mikroskop bestod av en bas, ljuskälla och tre linser [9].
Ett mikroskop består av ett rör med en eller fler förstorande linser. Längst upp i röret, där man tittar genom, sitter en bikonvex lins som är gjord av glas.
Objektet som ska förstoras sitter på en ljuskälla längre bort från linsen. Ljuset sprids i röret när den reflekteras på föremålet vilket gör att den går genom linsen och bryts. Detta leder till att föremålet upplevs mycket större än vad den egentligen är. I de mikroskop som är mycket moderna innehåller de mer än en lins. Några moderna mikroskop har en okularlins, och objektet placeras på en objektivlins. Anledningen till att det läggs flera linser i mikroskop är för att de kan ge högre förstorning och bättre bildupplösning [10].
2.3 Röntgenmikroskop
Röntgenmikroskop är ett instrument som används för att avbilda förstorande bilder av väldigt små objekt med hjälp av röntgenstrålningar. Med hjälp av en detektor som mäter den totala intensiteten över tiden som kommer från objektet som ska avbilas. Vad är skillnaden mellan röntgenmikroskop och ett vanligt mikroskop? Skillnaden är att ett vanligt mikroskop använder sig av ljusstrålar jämfört med röntgenmikroskop som använder sig av röntgenstrålar. Skillnaden mellan ljusstrålar och röntgenstrålar är att ljusstrålarna belyser objektet men däremot så tränger röntgenstrålningar igenom materien. Med andra ord kan röntgenmikroskop avbilda insidan av objekten. En annan skillnad mellan mikroskop och röntgenmikroskop är att röntgenmikroskop ger högre optisk upplösning. Källan som används för avbildning vid röntgenmikroskop kan vara ett röntgenrör, en synkrotron eller en plasmakälla [11].
2.4 Optik
All ljus är en vågrörelse, men det som skiljer mellan mikrovågor, röntgen, värmestrålning, radiovågor och ljus är våglängden. En våglängd som betecknas med lambda, 𝜆 som är avståndet mellan två vågdalar [12].
För att få en fullständig bild med bra upplösning behöver ljusstrålarna från punktkällan till objektet gå ihop i en ny punkt, alltså ljuset behöver brytas med hjälp av bland annat en lins [10]. Vid användning av en positiv lins som är konvex eller konkav så passerar ljusstrålarna genom ljuset och då skapas en reell bild som även kallad verklig bild, se figur 2 nedan. Det som händer är att när ljusstrålar passerar ett föremål bildas en synlig bild om en skärm placeras framför föremålet. Däremot sker det motsatsen vid användning en negativ lins.
Det som sker vid negativa linser är samling av fokuspunkter som görs genom förlängningar av divergerande strålar. Alltså en bild tycks uppstå från
ljusstrålningar som passerar från ett föremål, samtidigt kan inte demonstrering av bilden ske på en skärm i denna punkt [13], se bild 1 nedan.
Figur 1: Virtuell bild [12].
Figur 2: Reell bild [12].
När ljusstrålar strålar in mot en yta kallas detta ljus för infallande ljus och när ljuset reflekteras tillbaka mot samma sida av ytan kallas det för reflekterat ljus.
Ljuset som däremot passerar andra sidan av ytan kallas för transmission. Det finns två olika sätt för reflekterande ljuset att reflektera. Diffus reflektion sker när ytan som ljuset strålar mot är ojämn, då reflekteras ljuset åt alla håll i skarp riktning. Spekulär reflektion är när ljuset strålar på en jämn yta som leder till att ljuset reflekteras i bestämd riktning, se figur 3 nedan. På det sättet har man gjort speglar, linser och optiska instrument [12].
Figur 3: Diffus och spekulär reflektion [12].
Fokalpunkt, brännpunkt eller fokus som figur 5 nedan visar är en benämning inom geometrisk optik som är namnet för den punkten där alla ljusstrålar sammanfaller efter att de har träffat en lins. Inom röntgen är fokalpunkt den punkten som stöter elektronstrålen på röranoden och avger röntgenstrålar.
Storleken på fokalpunkten kan bestämmas av storleken på filamentenen och katoden i röntgenröret. I de flesta röntgenrör är det möjligt att ha mer än en fokalpunkt storlek eftersom det är storleken på fokalpunkten som bestämmer den spatiala upplösningen [14].
Figur 4: Skillnaden mellan stor jämfört med liten fokalpunkt [15].
Spatial upplösning är förmågan hos ett röntgenssystem som differentierar små objekt, som alltså beskriver dimensionerna för pixelupplösning. Det man ser i figur 5 nedan, har den bilden som är högst upp till vänster hög spatial
upplösning, men hög bildupplösning, alltså mindre suddig jämfört med bilden längst ner till höger som har lägst spatial upplösning.
Figur 5: Visar skillnaden i upplösningen för varje ruta som är tagen för samma position [16].
Vid avbildning av små lysande föremål i mörk bakgrund blir det svårt att få den exakta formen av föremålet som den ser ut i verkligheten. Bilden för
föremålets avbildning kommer att visa mjuka kanter och detta beror på point spread function(PSF) [17]. Med detta menar man att diffraktion av ljus, som bestämmer gränsen för upplösningen suddar ut de punktliknande objekt till en viss minimal storlek och form. Med andra ord är PSF den tredimensionella bilden vid avbildning av de punktformade objekten [18].
PSF varierar beroende på våglängden som ljusstrålen har, en kortare våglängd resulterar i en mindre PSF, jämfört med längre våglängder resulterar i en större PSF som i sin tur resulterar sämre upplösning. Vid avbildning av väldigt små föremål som exempelvis celler eller DNA, brukar egentligen mikroskopets PSF observeras. Genom användning av olika PSF:s form och storlek för en
objektivlins i ett mikroskop kan oskärpa i kanterna minskas vid avbildningen, detta kallas för faltning av provet med PSF (convolution of the specimen with the PSF). Detta sker genom användning av iterativa avvecklingsalgoritmer, som används när oskärpa är väldigt hög att man inte kan urskilja något [18].
Summan av den spatiala fördelningen av belysningsstyrkan i fronten och bak emulsionen som av när röntgenstrålen passerar en väldigt smal spricka kallas för line spread function (LSF) [19]. LSF är ett mått på förmågan för
röntgenssystem att avbilda där olika linjer på en lan har varsin intensitet.
Måttet uttrycks i (lp/mm) som är linjepar per millimeter [18]. Mätningen av LSF sker när en bild mottags av en smal linje, som är en suddig version av den ursprungliga linjen, som figur 6 visar nedan.
Figur 6: ”Illustration till vänster visar radiografisk bild som genereras av en smal linje av röntgenstrålar, som kan uppstå när röntgen passerar genom långsmal spricka i blyarket. Den övre högra panelen visar en bredare (suddig) linje i röntgenbild; nedre högra panelen visar linjeprofil genom röntgenbild, visar (LSF) och uppmätt vidgning som helbredd (FWHM) och fullbredd tionde (FWTM).
(Illustration av Abrahams RB)” [20].
Mätningen av mängden oskärpa kan mätas som full bredd halvt maximum, där det egentligen är det fysiska avståndet som ligger mellan två punkter för en linje. Intensiteten för linjen minskas till hälften av det maximala värdet [20].
Modulation transfer function (MTF) är en graf över antal cykler såsom funktion av upplösning vilket karaktäriserar upplösningsegenskaperna som finns i det konventionella analoga röntgenbildsystemet [21]. En graf eller kurva kan uppskattas för MTF genom att använda bilder som avbildas vid olika spatiala frekvenser. Låga spatiala frekvenser resulterar väldigt stora staplar och lyckor. Detta kommer resultera att området som är bakom ledningen kommer att bli vit medan området som är i öppningen, mellan staplarna blir svart [20].
3 Metod
Studien har genomförts i ett rum med röntgenkälla som placerades framför Medipix sensorn, där framför sensorn placerades en linjemask skiva (se bild 2), bild 1 nedan visar uppställningen. När röntgen sänder strålningar träffar den linjemask skivan och sensorn. Vågorna av strålningarna som träffade sensorn skickades i sin tur till datorn och visades i form av bilder. Flera mätningar utfördes med olika avstånd på linjemasken från sensorn till röntgenkällan samt med olika fokalpunkter. Anledningen till att använda sig av olika fokalpunkter samt placeringen av linjemasken på olika avstånd är för att undersöka hur man kan få en bra upplösning på bilder som är tagna av röntgenbildsensorer.
Bild 1: visar uppställningen av röntgenkällan, Medipixi3 och linjemasken.
3.1 Instrument och material
Instrumenten som användes vid mätningarna är: Comet röntgenkälla, Medipix3 detektor, linjemask, Innocare detektor.
Bild 2: visar en linjemask med blyfolie ingutet i plast.
Bild 3: visar COMET röntgenkällan som sänder fotoner till sensorn.
Bild 4: visar Medpix3.
Bild 5: visar styrenheten till COMET röntgenkälla.
Bild 6: Innocare sensor.
3.2 Mätningar
För att utföra mätningarna behövs en uppställning av sensorn framför
röntgenkällan samt placering av linjemasken mellan röntgenkällan och sensorn.
På det sättet kommer röntgenkällan att sända fotoner som träffar linjemasken och sedan sensorn.
3.2.1 Mätningar med Medipix3
Flera mätningar utfördes med olika avstånd på linjemasken till detektorn, olika läge för upplösningen mot belysningen och olika ström och spänning.
Avståndet mellan detektorn och strålkällan var 37,6 cm. Linjemasken placerades på 5 olika avstånd till Medipix3, avstånden är: 0,9cm, 10,0cm, 18,8cm, 27,6cm samt 32,6cm. För varje avstånd gjordes mätningar med läget high power där strömmen är 150µA med spänning på 200kV samt strömmen 80µA med spänning på 40kV. Samtidigt gjordes mätningar med nanofocus för varje avstånd där strömmen var 30µA med spänning på 40kV och strömmen 20µA med spänning på 70kV.
Tabell 1 visar mätningen för Medipixi3.
Avstånd Läge Spännin
3.2.2 Mätningar med Innocare
Samma metod upprepades med Innocare, flera mätningar utfördes med olika avstånd på linjemasken från detektorn och röntgenkällan, olika läge för upplösningen mot belysning samt med olika spänning och ström. Avståndet mellan detektorn och strålkällan var 97,0 cm. Avståndet mellan linjemasken och detektorn varierade mellan 2,2 cm, 54,0 cm och 82,0 cm, där strömmen var 800 µA och 1000 µA och spänningen låg på 40 kV.
Tabell 2: mätningar med Innocare.
Avstånd(cm) Läge Spänning(V) Ström(A)
Mätning 1 2,2 HIGH POWER 40k 800µ
Mätning 2 2,2 HIGH POWER 40k 1000µ
Mätning 3 54,0 HIGH POWER 40k 1000µ
Mätning 4 82,0 HIGH POWER 40k 1000µ
Mätning 5 82,0 HIGH POWER 40k 800µ
3.3 Val av metod
Anledningen till val av Medipix3 och Innocare är att det behövs en viss detektor för avbildning med röntgen. Valet av Innocare motiveras av att denna sorts detektor redan finns och används i vården och den används för avbildning av patienter. Valet av Medipix3 är eftersom den är en direktkonverterande detektor, jämfört med Innocare detekorn är en kommersiell detektor.
4 Resultat
Resultatet för detta arbete visar att Innocare ger möjligheten till att avbilda objekt med större yta som kan ha storleken upp till 431,8x431,8 tum, jämfört med Medipix3 har den möjligheten att avbilda objekt som har storleken upp till 15,88x14,1 𝑚𝑚. De avbildade bilder med hjälp av Innocare hade högre
bildupplösning jämfört med Medipix3, det uppfattas genom att jämföra bilderna nedan med varandra. Nedanstående bild 8 visar att linjerna syns till och med genom klämmarna som håller linjemasken på plats. Den avbildade bilden (bild 30) med Innocare visar att det högsta värdet för LSF är 11,5 ± 1 lp/mm. Men för bilderna som avbildades med hjälp av Medipix3 kunde högre LSF uppnås som var högre än 24 lp/mm (bild 17, 18, 21 och 22 i bilaga delen).
Tabell 3 och 4 visar sammanfattad resultat vid mätningen av LSF.
Linjerna på linjemasken kunde synas olika bra vid avbildningen med båda detektorerna vid val av olika spänning, ström, läge för upplösning
(nanofocus/high power) och avståndet för linjemasken till detektorn.
Användningen av korrigerings metoden flat field correction visade att bilder får mindre oskärpa. Det visualiseras i bilaga avsnittet nedan (7 och 29–32).
Resultatet visade att användning av flat field correction fick bilderna lite högre LSF jämfört med bilderna innan korrigeringen. Tabell 5 nedan sammanfattar resultatet med flat field correction.
Det som påverkar bildens upplösning vid röntgenavbildning kan vara flera anledningar. Enligt teoridelen samt det praktiska arbetet som utfördes kan det konstateras att storleken på fokalpunkten påverkar bildens upplösning, som i sin tur påverkar mängden oskärpa i bilden. En annan faktor kan vara strömmen och spänningen som matas in detektorn vid avbildningen. Avståndet på
strålkällan, detektorn och objektet som ska avbildas kan också påverka bildens upplösning. Samtidigt påverkar val av typen av detektorn resultatet.
Tabell 3: resultatet för Medipix3 mätningen.
Avstånd(cm) Läge Spänning(V) Ström(A) LSF (lp/mm)
0,9 Nanofocus 40k 30µ 10,5 ± 2
0,9 Nanofocus 70k 20µ 10 ± 2
0,9 HIGH POWER 40k 200µ 10 ± 2
10,0 Nanofocus 40k 30µ 13 ± 2
10,0 Nanofocus 70k 20µ 12,5 ± 2
10,0 HIGH POWER 40k 200µ 14 ± 2
18,8 Nanofocus 40k 30µ 15 ± 2
18,8 Nanofocus 70k 20µ 14,5 ± 2
18,8 HIGH POWER 40k 200µ 16 ± 2
27,6 Nanofocus 40k 30µ > 24
27,6 Nanofocus 70k 20µ > 24
27,6 HIGH POWER 40k 150µ 17 ± 2
27,6 HIGH POWER 40k 200µ 13 ± 2
32,6 Nanofocus 40k 30µ > 24
32,6 Nanofocus 70k 20µ > 24
32,6 HIGH POWER 40k 150µ 15 ± 2
32,6 HIGH POWER 40k 200µ 11 ± 2
Tabell 4: resultatet för Innocare mätningen.
Tabell 5: resultatet för Medipix3 mätningen med flat field correction.
Avstånd
Bild 7: 0,9cm avstånd från Medipix till linjemask med användning av flat field correction. LSF efter korrigering= 11 ± 2 lp/mm.
Bild 8: Med avståndet 82,0 cm från Innocare till linjemasken, spänningen 40kv, 1000 µA tube current och HIGH POWER. LSF = 10 ± 1 lp/mm.
En observation behövs för att kunna läsa av linjemasken, till exempel bild 8 ovan, då ska observatorn följa de fem linjerna och se hur långt kan linjerna utskiljas från varandra alltså precis innan de går ihop. Enheten som används är linjepar per mm. På det sättet sker avläsningen av linjemasken.
Originalbilden Flat field correction
LSF= 9.9 ± 2 lp/mm.
LSF= 11 ± 2 lp/mm.
5 Slutsatser och Diskussion
Jämförelsen av bilderna som var tagna med detektorn Innocare och detektorn Medidipix3 kan det observeras att avbildningen med Innocare resulterade bilder med högre upplösning jämfört med Medipix3. Vid samma förstoring har Medipix bättre upplösning på grund av mindre pixelstorlek och
direktkonverterande detektor. Förstorning av bilden kan bidra till bättre
upplösning med Innocare eftersom den har fler pixlar och därmed kan ge bättre detaljupplösning och samtidigt visa hela linjemasken i bild. En fördel med Innocare är att alla linjer i hela linjemasken kunde synas. Denna fördel kan vara bra vid avbildning av större material eftersom Medipix3 var relativt mindre än Innocare. En hypotes var att Medipix3 skulle ge bättre upplösning på bilderna vid röntgenavbildningen, eftersom detektorskärmen är så pass liten som kunde ha mer fokus och få mindre störningar på linjemasken när
strålkällan sänder strålning, men resultatet visade motsatsen. Anledningen till detta är att Innocare har större yta vilket möjliggör större förstorning, trots att den har lägre upplösning, 150 𝜇𝑚 pixel jämför med Medipix3 som har 55 𝜇𝑚 pixel.
Vid röntgenmikroskopi kan det kompenseras lägre upplösning genom att förstora objekt. Därför, vid bedömning av ett system, måste man veta hur stort objekt man behöver avbilda och vilken upplösning som behövs för att
utvärdera objektet. Eftersom olika detektorer har olika storlek samt olika funktioner.
Innocare har en storlek som är lämplig för röntgenundersökning av patienter och husdjur, medan storleken för Medipix är lämplig endast för mindre detaljer, t.ex tandläkarundersökning. Det vill säga användning av Medipix vid
medicinisk avbildning kan leda till att patienter utsättas för flera stråldoser vilket kan leda till allvarliga skador. Men Medipix har en storlek som är lämplig för tandläkarröntgen.
Användning av en röntgenkälla som sänder strålning vid avbildning absorberar en del av röntgenstrålar av en scintillator, 10% av den absorberade energin kommer i sin tur att omvandlas till ljus som sprids till detektorn. Detta ljus som reser i rummet till detektorn kan påverka bildens upplösning och skapa
oskärpa. Denna suddighet kommer alltid att tillkomma, men storleken på suddigheten kan ändras beroende på tjockleken som scintillatorn har [20].
Medipix har en fördel eftersom den är direktverkande, dock absorberas en lägre andel av strålningen i en direktverkande sensor. Spridning i scintillatorn kan
Medipix har en fördel eftersom den är direktverkande, dock absorberas en lägre andel av strålningen i en direktverkande sensor. Spridning i scintillatorn kan