Absorption and Phase-Contrast Microtomography Using Direct X-ray Detection With COTS CMOS Sensors

Technische Samenvatting: Absorptie- en fasecontrastmicrotomografie met directe röntgendetectie via COTS CMOS-sensoren

Probleemstelling
Hoogresolutie röntgenmicrotomografie is doorgaans afhankelijk van dure, complexe infrastructuur, zoals synchrotronstralingsinstallaties of gespecialiseerde nanofocusbronnen gekoppeld aan scintillatoren en complexe optische systemen. Hoewel deze opstellingen een resolutie onder de micrometer bereiken, zijn ze vaak ontoegankelijk voor standaard laboratoriumgebruik vanwege kosten en complexiteit. Bovendien heeft conventionele absorptiecontrasttomografie moeite met het visualiseren van materialen met lage dichtheid (laag-Z) en zachte weefsels, die onvoldoende verzwakkingscontrast bieden. Het artikel adresseert de behoefte aan een eenvoudigere, goedkopere laboratoriumschaalopstelling die capable is van hoogresolutie beeldvorming en die ook gebruik kan maken van fasecontrastmechanismen om zachte grensvlakken te visualiseren zonder de noodzaak van gespecialiseerde optica of toegang tot een synchrotron.

Methodologie
De auteurs ontwikkelden een hoogresolutie microtomografiesysteem dat Commercial Off-The-Shelf (COTS) CMOS-beeldsensoren gebruikt als directe röntgendetectors. De experimentele opstelling bestaat uit de volgende kerncomponenten:

• Bron: Een microfocus röntgenbron met wolfraam-anode (Micro X-ray Inc. Microbox) met een brandpunt van 5 µm, werkend in het bereik van 10–90 kV.
• Detector: Een Micron MT9M001 CIS met een pixelarray van 1280 × 1024 en een pixelpitch van 5,2 µm. De glasafdekking van de sensor is verwijderd om verzwakkings- en verstrooiingseffecten te elimineren, waardoor directe röntgendetectie mogelijk is.
• Geometrie: Een conische bundelgeometrie waarbij de afstand tussen object en sensor verstelbaar is. Dit maakt het mogelijk om tussen geometrische vergroting voor absorptiecontrast en propagatiegebaseerd fasecontrast te schakelen door de afstand tussen monster en detector te vergroten.
• Afscherming en Koeling: De opstelling is gehuisvest in een met lood beklede kast die door een collimator is verdeeld om secundaire fotonen te minimaliseren. Een koelsysteem op basis van Peltier-elementen regelt de sensortemperatuur, en de gehele assemblage is geïsoleerd op een schuimmat om trillingen te reduceren.
• Data-acquisitie en Correctie: Om schotruis te mitigeren, worden meerdere frames van 1 seconde gemiddeld. Een cruciale methodologische bijdrage is een dynamisch flat-field correctie-algoritme. Omdat langdurige röntgenblootstelling Total Ionizing Dose (TID)-effecten induceert, wat leidt tot een lineaire toename van de donkerstroom en een drift in het flat-field, nemen de auteurs referentiebeelden op aan het begin en het einde van de scan. Deze gebruiken ze om correctieparameters ($K_D$ en $K_F$) te interpoleren voor elke projectie, waardoor sensordegradatie tijdens lange acquisities effectief wordt gecompenseerd.
• Reconstructie: De tomografische reconstructie wordt uitgevoerd met het Filtered Backprojection (FDK)-algoritme via de Reconstruction Toolkit (RTK), voorafgegaan door sinogramanalyse om mechanische misalignementen te corrigeren.

Belangrijkste Bijdragen

1. Directe Detectie met COTS Sensoren: Het werk toont aan dat het verwijderen van de glasafdekking van een standaard CMOS-sensor het mogelijk maakt om te fungeren als een hoogresolutie directe röntgendetector, met voxelgroottes tussen 3,9 µm en 5,2 µm, zonder scintillatoren of optische koppeling.
2. Dynamische Flat-field Correctie: De auteurs stellen een lineaire interpolatiemethode voor en valideren deze om TID-geïnduceerde sensordegradatie (toename van donkerstroom en flat-field drift) in real-time te corrigeren tijdens lange tomografische scans. Dit overwint een grote beperking van het gebruik van consumentenhardware voor toepassingen met hoge doseringen.
3. Dual-Mode Beeldvorming: Het systeem werkt succesvol in twee distincte modi:
   • Absorptiecontrast: Door het object dicht bij de sensor te plaatsen, bereikt het systeem hoogresolutie beeldvorming van materialen met hoge verzwakking.
   • Propagatiegebaseerd Fasecontrast: Door de afstand tussen object en detector te vergroten, vangt het systeem interferentiefringes op, waardoor visualisatie mogelijk wordt van zachte weefsels met lage verzwakking die onzichtbaar zijn in conventionele radiografie.

Resultaten
Het systeem werd gevalideerd met twee verschillende monsters:

• Geïntegreerde Schakeling (Absorptiecontrast): Een AD8615 surface-mount operationele versterker werd afgebeeld. Het systeem loste interne metalen structuren op, inclusief goudbonddraden met een gemeten diameter van ongeveer 18 µm. Dit demonstreert het vermogen van het systeem voor foutanalyse in microelektronica.
• Insectenmonster (Fasecontrast): Een wespkop werd afgebeeld. Wanneer deze op een afstand van 19 cm werd geplaatst (wat fasecontrast mogelijk maakt), visualiseerde het systeem duidelijk grensvlakken van zachte weefsels en antennes. In tegenstelling hiermee, toen hetzelfde monster op 25 mm werd geplaatst (waardoor fase-effecten werden geëlimineerd), werden de antennes en zachte grensvlakken ononderscheidbaar door het lage absorptiecontrast, en namen de ruisniveaus in de buurt van de montage-naald toe, wat een succesvolle segmentatie verhinderde.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat COTS CMOS-sensoren een levensvatbaar, toegankelijk en kosteneffectief alternatief vormen voor hoogresolutie microtomografie op laboratoriumschaal. De auteurs benadrukken dat hun oplossing de complexiteit en hoge kosten van synchrotronfaciliteiten of nanofocussystemen vermijdt, terwijl het toch voxelresoluties in de orde van enkele micrometers biedt over een gezichtsveld van enkele millimeters.

Het werk onderstreept dat door gebruik te maken van de intrinsieke resolutie van de sensor en de coherentie van een microfocusbron, het mogelijk is om propagatiegebaseerde fasecontrastbeeldvorming uit te voeren zonder complexe optica. De auteurs concluderen dat deze aanpak hoogresolutie 3D-beeldvorming van zowel materialen met hoge verzwakking (bijv. microelektronica) als materialen met lage verzwakking (bijv. biologisch zacht weefsel) toegankelijk maakt voor standaard onderzoekslaboratoria, mits specifieke correcties voor sensorveroudering worden geïmplementeerd.