„Röntgenmikroskopie undslueck/RLFB...Fig. 2: 80 µm PMMA balls on Tesa stripe, LRM Wurzburg, (1.5 µm) High resolution phase contrast imaging with laboratory imaging systems is

„Röntgenmikroskopie und dreidimensionale Bildgebung“

Universität Würzburg - Lehrstuhl für

Röntgenmikroskopie (LRM)

Dr. Simon Zabler, 09.10.2013 [email protected]

Hand mit Ringen (Hand with Rings): print of Wilhelm Röntgen's first "medical" X-ray, of his wife's hand, taken on 22 December 1895 and presented to Ludwig Zehnder of the Physik Institut, University of Freiburg, on 1 January 1896

1895 Discovery of X-rays

Historische Highlights

• 1895 Entdeckung des Roentgenlichts

• 1896 Thomas Edison entwickelt Fluoroskop fuer die Medizin

• 1897 Elektron wird als geladenes Partikel identifiziert (Thomson)

• 1998 Pierre und Marie Curie entdecken Polonium und Radium

• 1901 Erster Nobelpreis der Physik and W. C. Roentgen

• 1905 Einstein postuliert den Photoelektrischen Effekt

Nobelpreis der Physik 1921

Sondermarken von 1939 und 1979

𝐾𝑚𝑎𝑥 = ℏ𝜔 −𝑊

ℏ = 6.582 × 10−16𝑒𝑉 ⋅ 𝑠

𝐸𝑝ℎ𝑜𝑡 = ℏ𝜔 =ℎ𝑐

𝜆⟷ 𝜆 Å =

12.4

𝐸 𝑘𝑒𝑉

Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie (LRM) - Josef-Martin-Weg 63, Campus Nord

Beispiele vom Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Wespe und Mäuseknochen

Brechungsindex einschließlich Absorption

Lambert-Beer’sches Schwächungsgesetz:

Absorption

Sample

Phase

Unterschiede und Gemeinsamkeiten von sichtbarem Licht und Röntgenlicht

𝑛 = 1 −𝑟02𝜋 𝑁𝑘𝑓𝑘 =

𝑘

1 − 𝛿 + 𝑖𝛽

𝑛 = 1

𝑛 = 1.4 − 1.7

𝑛 = 1

Sichtbares Licht

Roentgenlicht

Atomare Formfaktoren

𝑓𝑘 = 𝑓0 − 𝑓′ + 𝑖𝑓′′

10−9

𝛽 =𝑟02𝜋𝜆2𝑓′′ ≈

𝜆𝜎𝑎4𝜋

10−6

𝛿 =𝜆2𝜌𝑒𝑙𝑟02𝜋𝑓0

Bsp. Kappilaroptiken

Prinzip der Bildentstehung

),(),(),( yxuyxTyxu inc

),(2exp),(),(2

yxByxuyxI

X-rays 2D detector

Sample transmission function:

Recorded intensity:

Sample refractive index: ),,(),,(1),,( zyxizyxzyxn

),(),(exp),( yxByxiyxT

Optical wave transmission:

O(10-6) O(10-9) >>

Highlights in der Roentgenbildgebung

• 1895 Erste Radiogramme von W.C. Roentgen

• 1917 Der oesterreichische Mathematiker Johann Radon postuliert das mathematische Konzept zur Tomographie (Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten, Berichte über die Verhandlungen der Königlich-Sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften zu Leipzig. Mathematisch-Physische Klasse, Band 69, 1917, Seiten 262–277)

• 1963 Allan McLeod Cormack beschreibt die Theorie erneut (Representation of a Function by ist line integrals (1963) Journal of Applied Physics, vol. 34, pp 2722-2727)

• 1973 G. N. Hounsfield präsentiert den ersten Computer-Tomographen (Computerized Transverse Axial Scanning (Tomography) (1973) British J. Radiology, vol. 46, pp 1016-1022)

• 1979 Nobelpreis der Medizin

Tomographie: Radon-Transformation und Rückprojektion

CCD

Die Menge aller

Sinogramme ist

die “Radon

Transformierte”

0°

360°

X-rays

Tomografie: Radon-Transformation und Rückprojektion

Projekt: 3D Printen von Biomaterialien (Uniklinik Jena –Biomateriallabor): Mikro-CT vs. Histologie

Anlagenentwicklung Nano-CT

Anlagen am Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Röntgenmikroskop XRM I

Röntgenmikroskop XRM I Detektor

Elektronenkanone

Manipulator


Medipix 2 Detektor

pro Kachel 256x256 Pixel

Pixelgröße 55 µm2

Energieschwelle einstellbar

Sensormaterial CdTe

sehr effizient im niederenergetischen

Bereich


Lineare Laminographie

Objekte mit eingeschränktem Zugriff

Hoher Absorptionskoeffizient in einer

Richtung (z.B. Leiterplatte)

Quelle und Detektor werden bewegt

Objekt in einer Fokusebene scharf

abgebildet


Experimenteller Aufbau

max. Winkel = 22,5°

max. Verfahrweg des Detektor 1,5 m

Vergrößerung 100 – 1000 x

Detektor

Objekt

Quelle


Fresnel-Zonenplatte auf Si-Wafer

U = 30 kV I = 100 nA

Vergrößerung M = 117

Voxelgröße ~ 470 nm

Anlagen am Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Röntgenmikroskop XRM II

Elektronenkanone

Manipulator

Detektor

Anlagen am Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Röntgenmikroskop XRM II

Projekt „Nano-CT“ – Entwicklung XRM I & II

72.7 nm tip diameter

X-radia test-pattern, texp = 10 s (Medipix2 – CdTe – hexa)

Herstellung kleinster Nadel-Targets mit Hilfe v. El.-Chem. Ätzen Auflösungen besser als 100 nm.

6 µm carbon fiber: no absorption, imaging solely via phase contrast Exposure: 45 min, Focal Spot: 250 nm

Reflection target (Si-Detector)

Stabilized electron spot allows longer exposure times. Stabilization achieved by:

- Optimized target shape - Electrically conductive object

Reflection target (Si-Detector)

200 nm

100 nm

Signal Degradation by: - Focal Spot Size -> Target shape - Focal Spot Shape - Vibrations in target/object - Scattered radiation

-> Determine Shape of the Focal Spot

Gold on Carbon resolution test (in collaboration with the MSL in Würzburg, Prof. Kamp)

Reflection target

1000 nm

800 nm

600 nm

400 nm

500 nm

200 nm

100 nm

50 nm

W Spektrum 30 kV Max. 250 nm Br 30 min

Anlagenentwicklung Kleinwinkelstreuung

Anlagen am Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Kleinwinkelstreuanlage (SAXS)

Drehanode mit Kupfertarget / konfokaler Multilayer-Monochromator (E = 8,027 KeV) motorisiertes Blendensystem

Proben-Detektor-Abstand (300 – 3000 mm)

14. Juni 1912: Erstes typische LAUE-Diagramm, welches die Strahlung durch einen genau zur Richtung der Primärstrahlung orientierten Kristall regulärer Zinkblende zeigt.

Kristall-Roentgenbeugung (W. Friedrich, P. Knipping, M. von Laue: Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen. In: Bayerische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte. S. 303–322)

𝑛𝜆 = 2𝑑 sin 𝜃

P. P. Ewald: Zur Theorie der Interferenzen der Röntgentstrahlen in Kristallen. In: Physik. Z. 14, 1913, S. 465-472

Bragg-Gleichung (1912, Nobelpreis Physik 1915) Max von Laue (Nobelpreis Physik 1914)

Anlagen am Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Kleinwinkelstreuanlage (SAXS)

Schematischer Aufbau SAXS – Anlage

Rückschlüsse durch Streuung auf:

Mittlere Partikelgröße

Partikelform

Orientierung

Roentgenbeugung /-streuung

Rosalind Franklin 1953 London: Roentgenbeugungsbild an DNA Kristallen zeigen eine X-Form, die typisch fuer eine Doppelhelix ist.

1962 Watson, Crick und Wilkins: Nobelpreis der Medizin fuer die Strukturbestimmung der DNA.

Roentgenbeugung /-streuung - damals (Labor)

1981 Hartmut Michel zuechtet erste Proteinkristalle aus einem bakteriellen Membran-Protein, welches fuer die Photosynthese-Reaktion verantwortlich ist (Rhodopseudomonas viridis).

Roentgen-Diffaktogramm des Kristalls (20 h Belichtung mit Laborquelle). Molekulare Masse ca. 145 000 Dalton.

Knapp et al., Proc. Natl. Acad. Sci. Bd. 82, Nr. 24, S. 8463-8467 (1985)

Nobelpreis Chemie 1988

Roentgenbeugung /-streuung - heute (Synchrotron)

Roentgen-Diffaktogramm des Kristalls (nur einige Minuten Belichtung an der Swiss Light Source). Molekulare Masse ca. 2.6 Mio. Dalton.

Jenni et al. Science 316, 254-61 (2007)

Strukturmodell der Fettsaeure-Synthase von Pilzen,

Projekt Scattered X-ray Imaging

Aufnahme mit Timepix Sensor:

Typisches SAXS-Bild von AgBeh (NANOSTAR) (Diplomarbeit Silvia Pabisch TU Wien, 2008)

Bruker nanostar

SAXS (LRM)

sin(𝜃) =𝑞𝜆

4𝜋

Projekt Scattered X-ray Imaging

Foto: Perlmutt einer Auster

SAXS

Bruchkante quer im REM

Methodenentwicklung Röntgen-Phasenkontrast

FFT-2D

Fresnel-Beugung: Operatorschreibweise

X iFFT-2D

Propagator (Realteil)

Physikalische Randbedingungen:

• 50𝑝𝑚Wellenlänge (25𝑘𝑒𝑉Energie)

• Parallele Strahlung (ebene Welle Näherung)

D = 20 cm

Phase-retrieval

Example of (slow) phase-contrast imaging

Fig 1: 20 µm Glass-fiber & 60 µm hair, LRM Wurzburg (1.1 µm)

Fig. 2: 80 µm PMMA balls on Tesa stripe, LRM Wurzburg, (1.5 µm)

High resolution phase contrast imaging with laboratory imaging systems is possible, but exposure times are much longer than at the synchrotron (typ. 5 – 10 s).

A. Balles, Master thesis (LRM Würzburg)

Transmitted beam

Diffracted beam

D=0 D /2T D T

• Selbstabbildung periodischer Objekte (Gitter)

• Das Gitter bei z=0 erscheint und verschwindet bei Vielfachen des Talbot-Abstandes z=DT=2p

2/l (p: Gitterperiode); Bei DT/2 erscheint das Gitter auch, jedoch um p/2 in x-Richtung verschoben.

• Im Falle partieller Strahlkohärenz erlischt der Effekt für große z.

• Aus zwei Talbot-Abbildungen kann die Quellgröße bestimmt werden.

x

z

41

Der Talbot-Effekt & Gitter-basierter Phasenkontrast

D=DT/4 D=DT/2 D=3DT/4

Talbot-Effekt an Linie-Phasengittern

Gitterbasierter Phasenkontrast

Absorptionsbild Differenzielle Phase Integrierte Phase

/Kottler et al. 2007 PSSA/

Typischerweise werden 10 Bilder gemessen. Jedes Pixel zeigt eine

Sinusmodulation

Anlagenentwicklung Liquid Metal Jet Anlage

Projekt: Dynamische CT mit der Liquid Metal Jet Anode

Christian Fella

Anlagen am Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie Liquid-metal-jet Anlage

Besonderheiten

bildgebend: Ga, In

Brennfleck variabel

sehr hohe Brillanz -> Photonen/Fläche

sehr hoher Kontrast

Anwendungsgebiete: Kunststoffe,

biologische Proben

Spektrum der Quelle

1906 Barkla’s Theorie der charakteristischen Roentgenstreuung und Fluoreszenz

1917 Nobelpreis der Physik

Typisches Emmisionsspektrum einer Roentgenroehre

XRF peaks und Bremsstrahlung

C. G. Barkla, “The spectra of the fluorescent Roentgen radiations”, Phil. Mag. 22, 396-412 (1914)

Photoelektron

Absorbiertes Photon

Fluorezenzlicht

Projekt: Dynamic CT (Liquid Metal Jet Anode)

Liquid metal pumping

circuit

Andor zyla, sCMOS camera

Effective sampling: 0.6 – 26 µm/pixel

Projekt: Dynamic CT (Liquid Metal Jet Anode)

Courtesy: Dr. Kurt Bommert Universitätsklinikum Würzburg Medizinische Klinik und Poliklinik II

Results: Dynamic CT

• CT scan in 4 s • Sample F.O.V. 10 x 10 mm2

• 6833 voxels (16.4 µm)3 • 418 projections (360° scan) • 103 images / s (data spooling) • 35 µm P43 Al-coated screen • 0.5 x optics, sCMOS camera

2 mm

Exposure time

Detector pixel sampling

70 kV, 200 W (39 µm, 10 ms)

60 kV, 14 W (127 µm, 30 ms)

19 keV, ? W (2.5 µm, 2 ms)

225 kV, 1.8 kW (400 µm, 66 ms)

140 kV, 400 W (249 µm, 1 ms) 160 kV, 80 kW

(400 µm, 2 ms)

Phase contrast imaging

Absorption contrast imaging

Methodenentwicklung Schnelle Bildgebung am Synchrotron

Entdeckung der Synchrotron-Strahlung

General Electric 1957

Grenoble ESRF 2008

Nach der Entstehung der Atomphysik (1914) und auf Basis der modernen Quantenmechanik (1923) wurden Beschleuniger gebaut, um die kleinsten Teilchen zu untersuchen.

Bei relativistischen Geschwindigkeiten verlieren geladene Teilchen Energie in Form von Strahlung, wenn diese beschleunigt werden. Dies war urspruenglich ein stoerfaktor, doch Synchrotronlicht wird heute weltweit fuer die Forschung genutzt.

Prinzip Lichtentstehung am Synchrotron /Willmott, 2011/ Radiofrequenz-Kavität (Kicker)

- Erzeugt Bunches - Kompensiert

Energieverluste

Bunch:

Implant (socket)

• cp-Ti grade 4

Abutment (plug)

• cp-Ti grade 4 or grade 5

Abutment screw

• cp-Ti grade 5 or Ti-6Al-7Nb

Crown • Ceramic

DFG-Projekt: In-situ CT during fatigue of dental Titanium implants

Interfacial microgap of 0.4 µm width

Steel ball

Abutment

Implant body

0.2

mm

4.5 mm implant from Astra Tech

DFG-Projekt: In-situ CT during fatigue of dental Titanium implants

Is the IAC tight?

In situ experiment

LinMot Punch (max. 1000 N)

30° Force sensor

sample

In situ experiment

• Beamline ID19 (ESRF): 60 keV pink beam, 2.7 µm sampling • Camera is synchronized with force cycles (10 Hz beat, R=0.1)

In situ Tomography (during fatigue)

0N

50N

100N

150N

200N

250N

180°

Example of fast in situ CT: Characterization of food foams

1. optimized µCT-measurement

2. analysis of pores with software MAVI

3. presentation of the results from application examples

semi-liquid foam

mousse au chocolat

liquid foam

milk foam

solid foam

bread roll

Overview

B50_200_crop – 20s – 595 Proj B75_200_crop – 14s – 396 Proj B100_200_crop – 8s – 294 Proj.

t = 2 min t = 4 min t = 6 min

Time series of milk foam decay (fast CT measurements in the lab)

Fast Tomography – ma1548: Dynamics of liquid and semi-liquid protein foams (AiF, ID 19)

Challenge: How to process the 3D volume data fast enough to get statistical results?

Binary foam Segmented foam

Master thesis: M. Müller (LRM Würzburg)

5 min

7 min

10 min

15 min

BLG at pH 3,0

24 frames are captured on one film in the flash sequence

Example of high-speed imaging with visible light:

„Fracture dynamics in silicate glasses“, PhD Thesis of Dr. Tobias Dürig

University of Würzburg 2011 (Faculty of Physics and Astronomy)

http://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/volltexte/2012/7349/pdf/DuerigDiss.pdf

• Cranz-Schardin flash camera

• High grained film scanned at 3600x3600 dpi (17.6 µm spatial resolution, 25 µm due to motion blur)

• Time resolution 17 ns (per flash)

• Speed of sound 5818 m/s

• Frame rate limited by measurement amplifiers to 100 kHz (10 µs /image)

„Fracture dynamics in silicate glasses“, T. Dürig

Forc

e [N

]

Time [µs]

Comparison Synchrotron:

/Willmott, 2011/

single bunch:

100 ps

• Revolution 2.8 µs • 4 bunches = 1.4 MHz frame rate • Approx. 100 ps flash exposure

Single-bunch Imaging: Crack Propagation

2.26 μs exposure = 1 bunch / 35504 FPS (28 μs)

Rack, Scheel – ID19 (unpublished data, 23.07.2013)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Bsp. Essende Schabe bei ANKA (white beam, real time)

Documents

„Röntgenmikroskopie undslueck/RLFB...Fig. 2: 80 µm PMMA balls on Tesa stripe, LRM Wurzburg, (1.5 µm) High resolution phase contrast imaging with laboratory imaging systems is