Development of a new dark field imaging concept and investigation of prototype performance

Abstract

X-ray interferometry has emerged as a powerful imaging technique, offering capabilities beyond conventional absorption-based methods. By providing access to phase contrast and dark-field signals, it’s crucial for visualizing weakly absorbing microstructures at the micro-scale for diagnosis and even nano-scale for material inspection. However, this technique traditionally relies on large-scale facilities like synchrotrons or the use of additional source gratings, both of which hinder its feasibility in clinical and laboratory settings. This PhD thesis addresses these limitations by presenting the development and comprehensive evaluation of a novel compact X-ray interferometry-based dark-field (DF) imaging concept. This system integrates a microfocus X-ray tube, an energy-resolved, pixellated photon-counting detector, and a Talbot grating interferometer. The core objective is to demonstrate the system’s feasibility and functionality, including its data processing and image optimization, with the ultimate goal of enabling early-stage disease diagnosis in clinical applications like mammography and infectious lung disease. This research specifically focuses on the dark-field modality to achieve simplified and compact X-ray interferometry. This approach, while simultaneously acquiring phase contrast images, crucially departs from relying on large-scale synchrotrons or additional source gratings by utilizing a partially spatially coherent X-ray source. A primary goal of this work is to optimize experimental protocols for high image visibility. This involves understanding the critical interplay between data processing and system settings, including detector positioning and X-ray tube voltage. Furthermore, this PhD work also concentrated on optimizing dark-field (DF) image reconstruction, identifying an optimal strategy for Fourier series coefficient generation. Significantly, the study demonstrates that precise energy matching of the bin of interest (BoI) isn’t always essential, which provides valuable flexibility, especially under conditions of limited photon flux. Two complementary optimization approaches (detailed in Chapter 5) are shown to significantly enhance DF image quality by improving scattering feature visibility and reducing noise. Finally, a viable strategy for further enhancing phase contrast images is proposed. This involves combining goodness-of-fit thresholding to filter poorly fitted pixels with subsequent interpolation to mitigate inherent beam coherence limitations. This PhD work successfully demonstrates the feasibility and optimized performance of a compact X-ray interferometry system, paving the way towards practical clinical and laboratory deployment.

Die Röntgeninterferometrie hat sich als leistungsstarkes Bildgebungsverfahren etabliert und bietet Möglichkeiten, die über herkömmliche absorptionsbasierte Methoden hinausgehen. Durch den Zugriff auf Phasenkontrast- und Dunkelfeldsignale ist sie entscheidend für die Visualisierung schwach absorbierender Mikrostrukturen im Mikromaßstab für die Diagnostik und sogar im Nanomaßstab für die Materialprüfung. Diese Technik erfordert jedoch traditionell Großanlagen wie Synchrotrons oder den Einsatz zusätzlicher Quellengitter, was ihre Durchführbarkeit im klinischen und Laborbereich einschränkt. Diese Dissertation geht auf diese Einschränkungen ein, indem sie die Entwicklung und umfassende Evaluierung eines neuartigen, kompakten Dunkelfeld-Bildgebungskonzepts auf Basis der Röntgeninterferometrie präsentiert. Dieses System integriert eine Mikrofokus-Röntgenröhre, einen energieaufgelösten, pixelierten Photonenzähldetektor und ein Talbot-Gitterinterferometer. Kernziel ist der Nachweis der Machbarkeit und Funktionalität des Systems, einschließlich seiner Datenverarbeitung und Bildoptimierung, mit dem Ziel, die Frühdiagnose von Krankheiten in klinischen Anwendungen wie der Mammographie und bei infektiösen Lungenerkrankungen zu ermöglichen. Diese Forschung konzentriert sich speziell auf die Dunkelfeld- Modalität zur Erzielung einer vereinfachten und kompakten Röntgeninterferometrie. Dieser Ansatz, der gleichzeitig Phasenkontrastbilder erfasst, verzichtet entscheidend auf großflächige Synchrotrons oder zusätzliche Quellengitter und nutzt stattdessen eine partiell räumlich kohärente Röntgenquelle. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist die Optimierung experimenteller Protokolle für eine hohe Bildsichtbarkeit. Dies beinhaltet das Verständnis des kritischen Zusammenspiels zwischen Datenverarbeitung und Systemeinstellungen, einschließlich Detektorpositionierung und Röntgenröhrenspannung. Darüber hinaus konzentrierte sich diese Doktorarbeit auf die Optimierung der Dunkelfeld- Bildrekonstruktion (DF) und die Identifizierung einer optimalen Strategie zur Generierung von Fourierreihenkoeffizienten. Die Studie zeigt insbesondere, dass eine präzise Energieanpassung des Bin of Interest (BoI) nicht immer zwingend erforderlich ist, was wertvolle Flexibilität bietet, insbesondere unter Bedingungen begrenzten Photonenflusses. Zwei komplementäre Optimierungsansätze (detailliert in Kapitel 5) verbessern die DF-Bildqualität deutlich, indem sie die Sichtbarkeit von Streumerkmalen verbessern und Rauschen reduzieren. Abschließend wird eine praktikable Strategie zur weiteren Verbesserung der Phasenkontrastbilder vorgeschlagen. Dabei wird die Anpassungsgüteschwellenwertbildung zur Filterung schlecht angepasster Pixel mit anschließender Interpolation kombiniert, um inhärente Einschränkungen der Strahlkohärenz zu minimieren. Diese Doktorarbeit demonstriert erfolgreich die Machbarkeit und optimierte Leistung eines kompakten Röntgeninterferometriesystems und ebnet damit den Weg für den praktischen Einsatz in Klinik und Labor.