Study on the Spatial Distribution and Collimation of Photons in X-ray Fluorescence Imaging of Human-Sized Objects

Abstract

Nowadays, cancer is one of the world's most common causes of death, and the World Health Organization predicts that by 2050, the number of diagnosed cancer cases will increase by 77% compared to 2022. Imaging modalities are of essential importance for increasing the success of cancer treatment and reducing mortality. In addition to anatomical imaging modalities (e.g., computed tomography (CT)), which provide structural information about tumors, functional imaging modalities (e.g., positron emission tomography (PET)) provide valuable metabolic and molecular information that can be used to localize tumors and monitor treatment response. X-ray fluorescence imaging (XFI) is a type of functional imaging technique that relies on the use of markers (e.g., gold nanoparticles) within the object to be imaged. An externally applied X-ray beam irradiates the object, and its interaction with the marker causes the emission of fluorescence photons with element-specific energies, which are detected as the imaging signal. In contrast to the widely used imaging method PET, XFI can achieve a higher spatial resolution and a non-radioactive marker allows for longitudinal studies. Currently, however, XFI is only used in preclinical studies and imaging human-sized objects poses challenges. High background noise overlays the imaging fluorescence signal and makes the application of XFI on human-sized objects difficult. Approaches described in the literature to perform XFI on human-sized scales are currently associated with large and impractical setups or low sensitivities. This thesis therefore investigates the application of XFI on human-sized objects with a more compact and less expensive setup. The aim is to study the spatial distribution of photons and the collimation of background photons in this context. This is done using Monte-Carlo simulations and a model that numerically calculates photon path probabilities. Combining a backward-located detector and a lamellae-based collimator can reduce the background significantly. The lamellae-based collimators strongly restrict the field of view of the detector outside the signal-emitting target, thereby increasing the sensitivity of the target compared to the uncollimated case. To align the collimator, the target location is determined a priori by complementary anatomical imaging techniques, which is why this approach is considered in the context of multimodal imaging. This strategy achieves sensitivities within the range of values reported in the literature, for which, in some cases, a detector approximately three orders of magnitude larger was used, and could therefore represent a more practical and cost-effective alternative.

Heutzutage ist Krebs eine der weltweit häufigsten Todesursachen und die Weltgesundheitsorganisation prognostiziert, dass die Anzahl der diagnostizierten Krebsfälle bis 2050 um 77% im Vergleich zu 2022 steigen wird. Zur Steigerung des Therapieerfolgs und Senkung der Mortalität bei Krebs sind Bildgebungsmethoden von wesentlicher Bedeutung. Neben anatomischen Bildgebungsverfahren (z.B. Computertomographie (CT)), die strukturelle Informationen über Tumoren liefern, bieten funktionelle Bildgebungsverfahren (z.B. Positronen-Emissions-Tomographie (PET)) wertvolle metabolische und molekulare Informationen, die zur Lokalisierung von Tumoren und zur Überwachung des Ansprechens auf eine Tumortherapie genutzt werden können. Die Röntgenfluoreszenz-Bildgebung (XFI) ist eine solche funktionelle Bildgebung, die auf der Verwendung von Markern (z.B. Goldnanopartikel) im Objekt basiert. Dabei wird ein Röntgenstrahl von außen auf das Objekt gerichtet, dessen Wechselwirkung mit dem Marker zur Emission von Fluoreszenzphotonen mit elementspezifischen Energien führt, die als bildgebendes Signal detektiert werden. Im Gegensatz zur weit verbreiteten Bildgebungsmethode PET, kann mit XFI eine höhere räumliche Auflösung erreicht werden und ein nicht-radioaktiver Marker ermöglicht longitudinale Studien. Derzeit wird XFI jedoch nur in präklinischen Studien eingesetzt und die Bildgebung von menschengroßen Objekten ist mit Herausforderungen verbunden. Ein hoher Untergrund überlagert das bildgebende Fluoreszenzsignal und erschwert die Umsetzung von XFI bei menschengroßen Objekten. Ansätze aus der Literatur, XFI an menschengroßen Objekten durchzuführen, sind derzeit mit großen, unpraktikablen Aufbauten oder niedrigen Sensitivitäten verbunden. In dieser Arbeit wird daher die Anwendung von XFI an menschengroßen Objekten mit einem kompakteren und kostengünstigeren Aufbau betrachtet. Das Ziel besteht darin, die räumliche Photonenverteilung und die Kollimation der Signal-überlagernden Untergrundphotonen in diesem Kontext zu untersuchen. Dazu wurden Monte-Carlo-Simulationen und ein Modell verwendet, das Pfadwahrscheinlichkeiten von Photonen numerisch bestimmt. Die Kombination aus einem in Rückwärtsrichtung positionierten Detektor und der Verwendung von lamellenbasierten Kollimatoren kann den Untergrund stark reduzieren. Die lamellenbasierten Kollimatoren schränken das Sichtfeld des Detektors außerhalb des signalgebenden Targets stark ein, wodurch sich die Sensitivität des Targets im Vergleich zum unkollimierten Fall erhöht. Zur Ausrichtung des Kollimators wird das Target vorab mittels komplementärer anatomischer Bildgebungsverfahren bestimmt, weshalb dieser Ansatz im Kontext multimodaler Bildgebung betrachtet wird. Diese Strategie ermöglicht Sensitivitäten im Größenbereich publizierter Literaturwerte, für die teilweise ein um ungefähr drei Größenordnungen größerer Detektor verwendet wurde, und könnte daher eine praktikablere und kostengünstigere Alternative darstellen.