Research Collection
Doctoral Thesis
Numerical simulations of phase sensitive X-ray imaging using Monte Carlo Methods
Author(s):
Peter, Silvia Publication Date:
2016
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010881392
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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Diss. ETH No. 23826
Numerical simulations of phase sensitive X-ray imaging using Monte Carlo Methods
A thesis submitted to attain the degree
DOCTOR OF SCIENCES of ETH Z¨urich (Dr. Sc. ETH Z¨urich)
presented by
SILVIA PETER
MSc. Phys. ETH
born on 13 May 1985 citizen of Zell (ZH) - Schweiz
accepted on the recommendation of Prof. Dr. Marco Stampanoni, examiner Prof. Dr. Alessandro Olivo, co-examiner
PD Dr. Michael K. Fix, co-examiner
2016
Abstract
X-ray grating interferometry (GI) is a recently established phase sensitive imaging technique, which uti- lizes micro-structured gratings and the Talbot effect to gain access to the absorption, phase-shift and dark-field signal of the X-rays after a sample. In addition to these three contrasts, reciprocal space in- formation of a sample can be obtained through the GI Ultra Small-Angle X-ray Scattering (GI-USAXS) analysis scheme. The physical processes occurring during the GI image formation process can be de- scribed using numerical simulations. The particle-wave duality of photons presents two distinctive ways to consider X-rays, that provide complementary insight into the interactions of X-rays with matter, both of which have to be considered in an accurate numerical simulation of GI.
In this thesis, a framework for numerical simulations of GI was developed, that combines both particle- and wave-like properties of X-rays. The framework was based on Monte Carlo methods (MC) and imple- mented using egs++, the C++ interface for EGSnrc, a well established code for the simulation of particle transport utilizing MC. Since MC simulations of X-rays treat X-rays as particles, the framework was modified to include the wave-like properties necessary for the simulation of GI by implementing Snell’s law and including an additional variable to account for the phase shift. The interference phenomena of X-rays relevant for the simulation of GI were included into the framework in two steps. The first step consisted of a combination of MC with wave-optics simulations where the X-rays were simulated as par- ticles within MC for the source and sample part, then coherently summed up into a wave after the sample and further propagated using wave-optics simulations. This Hybrid-model was validated by comparing simulations to experimental results which showed good agreement (correlation coefficient>0.92). Sim- ulations performed with this Hybrid-model were used for the investigation of the connection between the obtained signal and the physical structure of the sample in GI-USAXS and are opening the possibility of a quantitative interpretation of the obtained image. In a second step, the imaging geometry was fully modeled within MC. To account for interference phenomena within the simulation, Huygens principle was implemented into MC. Comparisons of simulation results with experimental data were used for the validation of this full MC model and demonstrated good agreement with a correlation coefficient>0.9.
The full MC model was used for the determination of the visibility of a GI setup with a polychromatic X-ray source. Since MC methods are a well established method for the determination of realistic radia- tion dose estimations, a routine was implemented that enables the calculation of dose distributions within a sample which was applied to determine relative dose distributions in-vivo X-ray lung imaging of small animals.
The framework developed in this work was thus shown to successfully combine both particle- and wave-
Zusammenfassung
R¨ontgen-Gitterinterferometrie (GI) ist eine k¨urzlich etablierte, phasensensitive Bildgebungsmethode, die mikrostukturierte Gitter und den Talboteffekt verwendet, um Zugang zum Absorptions-, Phasen- und Dunkelfeldbildsignal einer Probe zu erhalten. Zus¨atzlich zu diesen drei Kontrasten kann Information aus dem reziproken Raum einer Probe durch die ultra-klein Winkel R¨ontgenstreuung (GI-USAXS) Anal- ysemethode erhalten werden. Die physikalischen Prozesse, die w¨ahrend dem GI Bildgebungsprozess stattfinden k¨onnen mittels numerischer Simulationen beschrieben werden. Der Welle-Teilchen-Dualismus von Photonen pr¨asentiert zwei verschiedene M¨oglichkeiten, R¨ontgenstrahlen zu betrachten, die komple- ment¨are Erkenntnisse zur Interaktion von R¨ontgenstrahlung mit Materie liefern und die beide bei exakten numerischen Simulationen von GI ber¨ucksichtigt werden m¨ussen.
In dieser Arbeit wurde ein Framework f¨ur numerische Simulationen von GI geschaffen, welcher Teilchen- und Wellencharakter von R¨ontgenstrahlung kombiniert. Das Framework basiert auf Monte Carlo Method- en (MC) und wurde mittels egs++ implementiert, dem C++ Interface f¨ur EGSnrc, einem etablierten Code f¨ur die Simulation von Teilchentransport mittels MC. Da MC Simulationen von R¨ontgenstrahlen auf dem Teilchenbild basieren, wurde das Framework modifiziert um die Welleneigenschaften die zur Simula- tion von GI Bildgebung ben¨otigt werden durch die Implementierung des Snellschen Gesetzes und der Einf¨uhrung einer neuen Variable f¨ur die Phasenverschiebung einzuschliessen. Die Interferenzph¨anomene von R¨ontgenstrahlen die f¨ur die Simulation von GI relevant sind, wurden in diesem Framework in zwei Schritten modelliert. Der erste Schritt bestand in einer Kombination von MC mit wellen-optischen Simu- lationen, worin die R¨ontgenstrahlen als Teilchen in MC von der Quelle durch die Probe simuliert wurden, danach durch koh¨arente Summierung in eine Welle transformiert und mittels wellen-optischer Simula- tionen weiter propagiert werden. Dieses Hybridmodell wurde durch Vergleiche von Simulationen mit experimentellen Daten validiert welche gute ¨Ubereinstimmung zeigten (Korrelationskoeffizient>0.92).
Simulationen die mit dem Hybridmodell durchgef¨uhrt wurden, wurden f¨ur die Untersuchung des Zusam- menhanges zwischen dem erhaltenen Signal und der Probenstruktur in GI-USAXS verwendet, und ¨offnen die M¨oglichkeit f¨ur quantitativer Interpretation des erhaltenen Bildes. In einem zweiten Schritt wurde die Bildgebungsgeometrie vollst¨andig mittels MC modelliert. Um Interferenzph¨anomene in der Simulation zu ber¨ucksichtigen wurde das huygensschen Prinzips ins MC implementiert. Vergleiche von Simula- tionsresultaten mit experimentellen Daten wurden zur Validierung dieses vollen MC-Modells verwen- det und zeigten gute ¨Ubereinstimmung mit einem Korrelationskoeffizient >0.9. Das volle MC-Modell wurde zur Bestimmung der Visibilit¨at eines GI Set-ups mit polychromatischer Quelle verwendet. Da MC Methoden ausserdem geeignet sind f¨ur die Bestimmung von realistischen Einsch¨atzungen von Strahlen- dosisverteilungen, wurde eine Methode implementiert, welche die Berechnung von Dosisverteilungen innerhalb eine Probe erm¨oglicht und auf den Fall der in-vivo R¨ontgenbildgebung von Lungen kleiner Tieren angewandt wurde.
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Daher wurde gezeigt, dass das entwickelte Framework erfolgreich Teilchen- und Welleneigenschaften von R¨ontgenstrahlen kombiniert und dass die die relevanten physikalischen Prozesse die in GI auftreten im Framework richtig modelliert werden. Des Weiteren wurden m¨oglichen Anwendungsbereiche des Framework in der aktuellen Forschung pr¨asentiert.
