Detailed imaging of biological samples is central to different fields of research, as well as for clinical pathology. Classical histology, using light- orelectron microscopy, can generate high-resolution images but is destructive and only gives two-dimensional information. With virtual histology, athree-dimensional reconstruction of the sample is instead generated, whichcan be virtually sectioned in arbitrary directions. This Thesis presents developments of x-ray phase-contrast computed tomography (CT) as a tool forvirtual histological analysis. In particular, the focus is imaging with laboratory systems as opposed to at large-scale synchrotron facilities, and usingphase-contrast imaging as an alternative to chemical contrast agents.A broad range of imaging applications are demonstrated, from archaeology to clinical pathology, where acquisition and data processing have beenoptimised for each sample. A micro-CT system based on a liquid-metaljet x-ray source was used for imaging centimetre-sized samples. Threedimensional imaging of mummified remains was demonstrated, with sufficient contrast and resolution within the soft tissue to capture microanatomical details; blood vessels, skin layers, fingerprints and remains of adiposecells were visualised in the hand of an ancient Egyptian mummy. Virtualhistology was also performed on paraffin-embedded excised tumours foranalysis of the resection margin, and on rat bones for mapping the vascularcanals.For imaging with micrometre resolution, a nano-CT system was builtand characterised. Photoreceptor imaging in unstained compound eyes ofbumblebees was demonstrated, and light- and electron microscopy wereused to verify the results. Comparisons with conventional attenuationmicro-CT and synchrotron radiation tomography, with both unstained andstained samples, showed the advantage of using phase contrast instead ofstaining the samples

Detaljerad avbildning av biologiska prover är viktigt för olika forskningsområden såväl som för klinisk patologi. Klassisk histologi, genom ljus- ellerelektronmikroskopi, ger högupplösta bilder men är destruktiv och kan endast ge tvådimensionell information. Med virtuell histologi genereras istället en tredimensionell rekonstruktion av provet, vilken kan analyseras genom snittning i godtyckliga riktningar. Den här Avhandlingen presenterarvidareutvecklingar av faskontrast-baserad röntgentomografi (CT), som ettverktyg för virtuell histologi. I synnerhet ligger fokus på avbildning medlabbaserade system, i motsats till storskaliga synkrotronljusanläggningar,och på faskontrastavbildning som ett alternativ till kemiska kontrastmedel.En bredd av olika tillämpningar presenteras, från arkeologi till kliniskpatologi, med datainsamling och databehandling anpassade för varje prov.Ett mikro-CT-system baserat på en metallstråle-röntgenkälla användes föravbildning av centimeterstora prover. Tredimensionell avbildning av mumifierade kvarlevor demonstrerades, med tillräcklig kontrast och upplösning i mjukvävnader för att fånga mikroanatomiska detaljer; blodkärl, hudlager, fingeravtryck och rester av fettceller kunde visualiseras i en egyptiskmumiehand. Virtuell histologi tillämpades också på paraffininbäddade tumörer för analys av resektionsmarginal, och på råttben för avbildning avvaskulära kanaler.För avbildning med mikrometerupplösning byggdes ett nano-CTsystem. Efter karaktärisering av systemet demonstrerades avbildning avfotoreceptorer i ofärgade facettögon från humlor. Ljus- och elektronmikroskopi användes för att verifiera resultaten. Jämförelser med konventionellattenuationsbaserad mikro-CT samt synkrotronljustomografi, både medofärgade och färgade prover, visade på fördelarna med användning avfaskontrast istället för att färga proverna.

X-ray imaging is a group of techniques using electromagnetic radiation of high energy. The ability to quickly visualize internal structures in thick opaque objects has made it an indispensable tool in research, medicine, and industry. Contrast is generally achieved by differential absorption, however, this mechanism has a strong dependence on atomic number. This results in low contrast within materials consisting of mainly elements of low atomic number, such as hydrogen, carbon and oxygen, e.g., soft organic matter. The problem with low contrast is further complicated by limitations in radiation dose. To improve contrast the phase shift of the X-rays can be measured without increasing the dose.

This Thesis concerns one method to harness this phase signal – propagation-based phase-contrast X-ray imaging (PBI). Three aspects on how to image complex objects are addressed: multi-material phase retrieval, simulations of clinical imaging, and small-animal imaging on compact systems. First, the derivation of a previously published method for multi-material phase retrieval is shown. A comparison between this method and another further reveals important differences. Secondly, a strategy to use large digital voxel-based phantoms for clinical imaging is developed. The method is demonstrated on a mammography phantom and in a reader study on clinical lung imaging. Finally, a compact X-ray system is used to demonstrate imaging of vascular canals in rat bone and high-resolution lung imaging on free-breathing mice, i.e., without mechanical ventilation.

Röntgenavbildning är en samling tekniker som använder elektromagnetisk strålning av hög energi. Förmågan att snabbt åskådliggöra inre strukturer i tjocka ogenomskinliga objekt har gjort den till ett oumbärligt redskap inom forskning, medicin och industri. Kontrast åstadkoms generellt genom skillnader i absorption av röntgenstrålningen, men denna mekanism är starkt beroende av atomnummer. Detta resulterar i låg kontrast för material som huvudsakligen består av grundämnen med lågt atomnummer som väte, kol, och syre – typiskt mjuk biologisk vävnad. Begränsningar i stråldos försvårar ytterligare problemet med låg kontrast. För att förbättra kontrasten kan röntgenstrålningens fasskift mätas utan att dosen ökas. 

Denna avhandling behandlar en metod som nyttjar denna fassignal – propagationsbaserad faskontrast (PBI). Tre aspekter av hur komplexa objekt kan avbildas behandlas: fasåterhämtning av objekt med flera material, simuleringar av klinisk avbildning och smådjursavbildning med kompakta röntgensystem. Först görs en härledning av en tidigare publicerad metod för fasåterhämtning av objekt med flera material. Viktiga skillnader visas i en jämförelse mellan denna metod och en annan. Sedan utvecklas en strategi för hur stora digitala voxelbaserade fantomer kan användas för klinisk avbildning. Den förevisas på en mammografifantom och tillämpas i en studie med radiologer om klinisk lungavbildning. Slutligen demonstreras hur kompakta röntgensystem kan användas för att avbilda nätverket av vaskulära kanaler i råttben och hur lungavbildning kan utföras med hög upplösning på möss som andas naturligt, d.v.s. utan mekanisk ventilering.