Small-animal x-ray imaging is an important tool for medical research. The penetration power of x-rays makes it possible to investigate the 3D structure of small animals and other thick biological samples by computed tomography (CT). However, small-animal x-ray imaging often requires high resolution due to the small structures involved, and short exposure times due to sample movement. This constitutes a challenge, since these two properties require compact x-ray sources with parameters that are not widely available. In this Thesis we present the first application of liquid-metal-jet sources for small-animal imaging. This source concept was invented at KTH just over ten years ago. The use of a high-speed metal jet as electron-beam target, instead of a solid anode, enables higher x-ray flux while maintaining a small x-ray spot for high-resolution imaging. In the present work, a liquid-metal jet source with a higher-energy spectrum has been developed. It has stronger 24 keV radiation compared to previous sources, which makes it more suitable for imaging of small animals and other few-cm-thick objects, which require the higher penetration of 20-35 keV x-rays. We have applied the liquid-metal-jet x-ray sources for whole-body imaging of sacrificed mice and zebrafish. With high-resolution absorption-contrast CT we have visualized fine bone details of mice. We have also used phase contrast, a new method that can considerably improve imaging of, e.g., soft tissue, for demarcation of mm-sized tumors inside a full mouse and for mouse cartilage imaging. In zebrafish imaging, we have exploited the greatly enhanced contrast of phase-imaging to resolve single muscle fibers (and possibly even myofibrils) in whole zebrafish in a laboratory setting for the first time. The muscle structures have diameters in the 5-7 μm range and extremely low contrast, which makes them difficult to observe. With phase contrast, we have demonstrated low-dose and high-resolution angiography of mouse and rat organs and tissues ex vivo. We show detection of blood vessels with diameters below 10 μm with radiation doses compatible with living small animals, which is not possible with absorption contrast and iodinated contrast agents. In addition, we have investigated the vascular network of tumors in mouse ears and visualized the chaotic arrangement of newly-formed blood vessels. Finally, we present the first results from a new high-power liquid-metal-jet x-ray source prototype, operating at 10× the power of our previous sources, with the same x-ray spot size. This source constitutes an important step towards future in-vivo small-animal laboratory imaging with high resolution. / Röntgenavbildning av små försöksdjur är en viktig metod inom medicinsk forskning. Röntgenstrålar penetrerar material, vilket gör det möjligt att undersöka 3D-strukturen hos försöksdjur och andra tjocka biologiska prov med hjälp av datortomografi (CT). Tyvärr kräver smådjursavbildning ofta dels hög upplösning, eftersom de relevanta strukturerna är små, dels korta exponeringstider, eftersom objektet tenderar att röra sig. Detta är en utmaning, då båda egenskaperna kräver kompakta röntgenkällor med speciella egenskaper som inte är brett tillgängliga. I denna avhandling visar vi den första användningen av metallstråleröntgenkällor för avbildning av hela smådjur. Den här typen av röntgenkälla uppfanns vid KTH för drygt tio år sedan. Genom att låta elektronerna träffa en stråle av flytande metall, istället för en solid metallanod, kan vi generera mer röntgenstrålning men samtidigt behålla en liten källpunkt, vilket behövs för avbildning med hög upplösning. En ny metallstrålekälla utvecklades som en del av denna avhandling. Den ger ett röntgenspektrum med högre energier, vilket gör källan mer lämpad än tidigare källor för avbildning av små försöksdjur och andra centimetertjocka biologiska objekt. Vi har använt metallstrålekällor för att avbilda intakta, avlivade möss och zebrafiskar. Med högupplöst absorptions-CT har vi detekterat små bendetaljer inuti möss. Vi har även använt faskontrastavbildning, en ny metod som avsevärt kan förbättra avbildning av mjukvävnad, till att demarkera millimeterstora tumörer inuti en hel mus, samt för avbildning av brosk i leder hos möss. Faskontrast ger en kraftig förstärkning av kontrasten i bilden, vilket även har använts för att för första gången detektera individuella muskelfibrer (och eventuellt även myofibriller) inuti zebrafiskar med en kompakt röntgenkälla. Muskelstrukturerna har diametrar på 5-7 μm och låg kontrast, vilket gör dem svåra att observera. Med hjälp av faskontrast har vi utvecklat en metod för att avbilda blodkärl med diametrar under 10 μm inuti organ och vävnader från möss och råttor ex vivo, med stråldoser som är kompatibla med studier av levande smådjur. Detta är inte möjligt med konventionell absorptionskontrast och jod-baserade kontrastmedel. Vi har dessutom avbildat nyformade blodkärl kring tumörer i musöron och observerat kärlens kaotiska struktur. Slutligen presenterar vi de första resultaten från en prototyp av en ny högeffektskälla. Källan har tio gånger högre effekt än tidigare metallstrålekällor, men bibehåller samma storlek på källpunkten. Den här högeffektskällan är ett viktigt steg mot framtida laboratoriebaserad avbildning av levande små försöksdjur med hög upplösning. / <p>QC 20150331</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-163169 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Larsson, Daniel |
| Publisher | KTH, Biomedicinsk fysik och röntgenfysik, Stockholm |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-FYS, 0280-316X ; 2015:19 |
Page generated in 0.0157 seconds