Design and Construction of an X-ray Computed Tomography Imaging System

X-ray computed tomography (CT) is widely used in medical imaging and materials science. In this imaging modality, cross-sectional images of a physical object are formed by taking numerous X-ray projections from different angles and then applying a reconstruction algorithm to the measured data. The cross-sectional slices can be used to form a three-dimensional model of the interior structure of the object. CT is a prime example of an inverse problem, in which the aim is to recover an unknown cause from a known effect. CT technology continues to develop, motivated by the desire for increased image quality and spatial resolution in reconstructions. In medical CT, reducing patient dose is a major goal. The branch of CT known as X-ray microtomography (micro-CT) produces reconstructions with spatial resolutions in the micrometer range. Micro-CT has been practiced at the University of Helsinki since 2008. The research projects are often interdisciplinary, combining physics with fields such as biosciences, paleontology, geology, geophysics, metallurgy and food technology. This thesis documents the design and construction of a new X-ray imaging system for computed tomography. The system is a cone beam micro-CT scanner intended for teaching and research in inverse problems and X-ray physics. The scanner consists of a molybdenum target X-ray tube, a sample manipulator, and a flat panel detector, and it is built inside a radiation shielding cabinet. Measurements were made for calibrating the measurement geometry and for testing reconstruction quality. Two-dimensional reconstructions of various samples were computed using the plane which passes through the X-ray point source and is perpendicular to the axis of rotation. This central plane of the cone beam reduces to fan beam geometry. All reconstructions were computed using the filtered backprojection (FBP) algorithm, which is the industry standard. Tomographic reconstructions of high quality were obtained from the measurements. The results show that the imaging system is well suited for CT and the study of reconstruction algorithms.Tietokonetomografia (TT) on lääketieteellisessä kuvantamisessa ja materiaalitutkimuksessa laajalti käytetty menetelmä. Tämän kuvantamismuodon tavoitteena on muodostaa poikkileikkauskuvia fyysisestä kohteesta, mikä tapahtuu ottamalla röntgenprojektioita useista eri kulmista kohteen ympäriltä ja soveltamalla mittausdataan rekonstruktioalgoritmia. Poikkileikkauskuvista voidaan muodostaa kolmiulotteinen malli kohteen sisärakenteesta. Tietokonetomografia on malliesimerkki inversio-ongelmasta. Inversio-ongelmat ovat käänteisiä ongelmia, joissa pyritään määrittämään tunnetusta seurauksesta sen aiheuttanut tuntematon syy tai ilmiö. Tietokonetomografian yhä jatkuvan kehityksen taustalla on halu parantaa rekonstruktioiden paikkaerotuskykyä sekä kuvanlaatua. Lääketieteellisessä TT:ssä potilaan saaman annoksen pienentäminen on myös tärkeä tavoite. Röngtenmikrotomografia (mikro-TT) on tietokonetomografian osa-alue, jolla rekonstruktioissa saavutetaan mikrometriluokan paikkaerotuskyky. Helsingin yliopistolla mikro-TT:tä on käytetty tutkimusvälineenä vuodesta 2008 lähtien. Tutkimus muodostuu usein poikkitieteellisistä projekteista, joissa fysiikan menetelmiä käytetään tutkimaan esimerkiksi biotieteiden, paleontologian, geologian, geofysiikan, metallurgian ja ruokateknologian ongelmia. Tässä tutkielmassa esitellään tietokonetomografiaan tarkoitetun uuden röntgenkuvantamisjärjestelmän suunnittelu ja toteutus. Kuvantamisjärjestelmä on kartiokeilageometriaa käyttävä mikro-TT-skanneri, jota on tarkoitus käyttää inversio-ongelmien sekä röntgenfysiikan opetuksessa ja tutkimuksessa. Skanneri koostuu molybdeenikohtioisesta röntgenputkesta, näytteenpyörittimestä ja ilmaisimesta, jotka on sijoitettu säteilyltä suojaavaan mittaustilaan. Tämän työn mittaukset koostuivat kalibrointimittauksista, joilla pyrittiin määrittämään tarkasti laitteiston geometria, sekä rekonstruktioiden laadun tutkimista varten tehdyistä mittauksista. Eri näytteistä muodostettiin kaksiulotteisia poikkileikkauksia käyttäen kartiokeilasta sitä kuvaustasoa, joka kulkee röntgenputken pistelähteen läpi ja on kohtisuorassa näytteenpyörittimen pyörimisakseliin nähden. Tämä kartiokeilan keskitaso vastaa kaksiulotteista viuhkageometriaa. Kaikki rekonstruktiot laskettiin käyttämällä alan standardiksi muodostunutta suodatetun takaisinprojektion algoritmia (FBP-algoritmi). Mittauksista saatiin muodostettua korkeatasoisia tomografisia rekonstruktioita. Tulokset osoittavat, että rakennettu kuvantamisjärjestelmä soveltuu hyvin tietokonetomografiaan ja rekonstruktioalgoritmien tutkimiseen