Rentgenová mikrotomografie - X-ray microtomography

3D vykreslování mikro CT a stromek.
3D vykreslení µCT skenu listového kusu, rozlišení cca 40 µm /voxel.
Dvoufázová µCT analýza Ti2AlC / Al MAX fáze kompozitní[1]

Rentgenová mikrotomografie, jako tomografie a Rentgenová počítačová tomografie, používá Rentgenové záření k vytvoření průřezů fyzického objektu, který lze použít k vytvoření virtuálního modelu (3D model ), aniž byste zničili původní objekt. The předpona mikro- (symbol: µ) se používá k označení, že pixel velikosti průřezů jsou v mikrometr rozsah.[2] Tyto velikosti pixelů také vyústily v podmínky rentgenová tomografie s vysokým rozlišením, mikropočítačová tomografie (mikro-CT nebo µCT) a podobné výrazy. Někdy podmínky CT s vysokým rozlišením (HRCT) a mikro-CT jsou diferencované,[3] ale v ostatních případech termín mikro-CT s vysokým rozlišením se používá.[4] Prakticky celá tomografie je dnes počítačová tomografie.

Micro-CT má aplikace v obou lékařské zobrazování a v průmyslová počítačová tomografie. Obecně existují dva typy nastavení skeneru. V jednom nastavení jsou zdroj rentgenového záření a detektor obvykle během skenování stacionární, zatímco se vzorek / zvíře otáčí. Druhé nastavení, mnohem více jako klinický CT skener, je portálové, kde zvíře / vzorek stojí ve vesmíru, zatímco rentgenová trubice a detektor se otáčejí kolem. Tyto skenery se obvykle používají pro malá zvířata (in vivo skenery), biomedicínské vzorky, potraviny, mikrofosílie a další studie, u nichž je požadován nepatrný detail.

První rentgenový mikrotomografický systém byl koncipován a vyroben Jimem Elliottem na začátku 80. let. První publikované rentgenové mikrotomografické snímky byly rekonstruované plátky malého tropického šneka o velikosti pixelu asi 50 mikrometrů.[5]

Pracovní princip

Zobrazovací systém

Rekonstrukce paprsku ventilátoru

Systém paprskových paprsků je založen na jednorozměrném (1D) rentgenovém detektoru a elektronickém rentgenovém zdroji, který vytváří 2D průřezy objektu. Obvykle se používá u lidí počítačová tomografie systémy.

Rekonstrukce kuželového paprsku

Systém kuželového paprsku je založen na 2D rentgenovém detektoru (Fotoaparát ) a vytvoření elektronického rentgenového zdroje projekční obrazy že později budou použity k rekonstrukci průřezů obrazu.

Otevřené / uzavřené systémy

Otevřený rentgenový systém

V otevřeném systému mohou rentgenové paprsky unikat nebo prosakovat, takže obsluha musí zůstat za štítem, mít speciální ochranný oděv nebo obsluhovat skener z dálky nebo jiné místnosti. Typickými příklady těchto skenerů jsou lidské verze nebo jsou navrženy pro velké objekty.

Uzavřený rentgenový systém

V uzavřeném systému je kolem skeneru umístěno rentgenové stínění, takže obsluha může skener umístit na stůl nebo speciální stůl. Přestože je skener stíněný, je třeba dbát opatrnosti a obsluha obvykle nese dozimetr, protože rentgenové záření má tendenci být absorbováno kovem a poté znovu emitováno jako anténa. Ačkoli typický skener bude produkovat relativně neškodný objem rentgenových paprsků, opakované skenování v krátkém časovém rámci by mohlo představovat nebezpečí. K získání obrazu s vysokým rozlišením se obvykle používají digitální detektory s malou roztečí pixelů a rentgenové trubice s mikroskopem.[6]

Uzavřené systémy mají tendenci být velmi těžké, protože k ochraně rentgenových paprsků se používá olovo. Proto menší skenery mají jen malý prostor pro vzorky.

Rekonstrukce 3D obrazu

Princip

Protože mikrotomografické skenery nabízejí izotropní, nebo téměř izotropní, rozlišení, zobrazení obrázků nemusí být omezeno na konvenční axiální obrazy. Místo toho je možné, aby softwarový program vytvořil svazek „stohováním“ jednotlivých řezů jeden na druhý. Program pak může hlasitost zobrazit alternativním způsobem.

Software pro rekonstrukci obrazu

Pro rentgenovou mikrotomografii je k dispozici výkonný software s otevřeným zdrojovým kódem, například sada nástrojů ASTRA.[7][8] Sada nástrojů ASTRA je sada nástrojů MATLAB s vysoce výkonnými GPU primitivy pro 2D a 3D tomografii, od roku 2009–2014 vyvinutá Laboratoř iMinds-Vision, University of Antwerp a od roku 2014 společně vyvinutý společností iMinds-VisionLab, UAntwerpen a CWI, Amsterdam. Sada nástrojů podporuje paralelní, ventilátorový a kuželový paprsek s vysoce flexibilním umístěním zdroje / detektoru. K dispozici je velké množství rekonstrukčních algoritmů, včetně FBP, ART, SIRT, SART, CGLS.

Vykreslování svazku

Vykreslování svazku je technika používaná k zobrazení 2D projekce 3D diskrétně vzorkované datové sady, jak je vyrobeno mikrotomografickým skenerem. Obvykle se získávají v pravidelném vzoru (např. Jeden řez každý milimetr) a obvykle mají běžný počet obrazových pixelů v běžném vzoru. Toto je příklad pravidelné objemové mřížky, kde každý prvek objemu nebo voxel představuje jednu hodnotu, která se získá vzorkováním bezprostřední oblasti obklopující voxel.

Segmentace obrazu

Pokud mají různé struktury podobnou prahovou hustotu, může být nemožné je oddělit jednoduše úpravou parametrů vykreslování objemu. Řešení se nazývá segmentace, manuální nebo automatický postup, který může odstranit nežádoucí struktury z obrázku.

Typické použití

Archeologie

Biomedicínské

  • Oba in vitro a in vivo zobrazování malých zvířat
  • Vzorky lidské kůže
  • Vzorky kostí od hlodavců po lidské biopsie
  • Zobrazování plic pomocí dýchacích bran
  • Kardiovaskulární zobrazování pomocí srdečního hradlování
  • Zobrazování lidského oka, očních mikrostruktur a nádorů[10]
  • Zobrazování nádorů (může vyžadovat kontrastní látky)
  • Zobrazování měkkých tkání[11]
  • Hmyz[12]
  • Parazitologie - migrace parazitů,[13] morfologie parazitů[14][15]

Vývojová biologie

  • Sledování vývoje vyhynulého tasmánského tygra během růstu v pouzdře[16]
  • Modelové a nemodelové organismy (sloni,[17] zebrafish,[18] a velryby[19])

Elektronika

  • Malé elektronické součástky. Např. DOUŠEK IC v plastovém pouzdře.

Mikrozařízení

Kompozitní materiály a kovové pěny

  • Keramika a keramicko-kovové kompozity.[1] Mikrostrukturální analýza a vyšetřování poruch
  • Kompozitní materiál s skleněná vlákna 10 až 12 mikrometry v průměru

Polymery, plasty

Diamanty

  • Zjištění závad v a diamant a najít nejlepší způsob, jak to snížit.

Jídlo a semena

  • 3D zobrazení potravin pomocí rentgenové mikrotomografie[20]
  • Analýza stresu z tepla a sucha na potravinářských plodinách[21]

Dřevo a papír

Stavební materiál

Geologie

V geologii se používá k analýze mikroporů v horninách nádrže, které lze použít v mikrofaciky analýza pro sekvenční stratigrafii. v ropa průzkum se používá k modelování toku ropy pod mikropory a nanočásticemi.

Může poskytnout rozlišení až 1 nm.

Fosílie

Mikrofosílie

Rentgenová mikrotomografie a radiolarian, Triplococcus acanthicus
Toto je mikrofosilie z Střední ordovik se čtyřmi vnořenými koulemi. Nejvnitřnější koule je zvýrazněna červeně. Každý segment je zobrazen ve stejném měřítku.[23]
  • Benthonic foraminifery

Prostor

Stereo obrázky

  • Vizualizace pomocí modrých a zelených nebo modrých filtrů pro zobrazení hloubky

Ostatní

Reference

  1. ^ A b Hanaor, D.A.H .; Hu, L .; Kan, W.H .; Proust, G .; Foley, M .; Karaman, I .; Radovic, M. (2019). "Kompresní výkon a šíření trhlin v Al slitině / Ti2AlC kompozity ". Věda o materiálech a inženýrství A. 672: 247–256. arXiv:1908.08757. Bibcode:2019arXiv190808757H. doi:10.1016 / j.msea.2016.06.073.
  2. ^ Rentgenová + mikrotomografie v americké národní lékařské knihovně Lékařské předměty (Pletivo)
  3. ^ Dame Carroll JR, Chandra A, Jones AS, Berend N, Magnussen JS, King GG (2006-07-26), „Rozměry dýchacích cest měřené z mikropočítačové tomografie a výpočetní tomografie s vysokým rozlišením“, Eur Respir J, 28 (4): 712–720, doi:10.1183/09031936.06.00012405, PMID  16870669.
  4. ^ Duan J, Hu C, Chen H (2013-01-07), „Mikro-CT s vysokým rozlišením pro morfologické a kvantitativní hodnocení sinusoidy v lidském kavernózním hemangiomu jater“, PLOS One, 8 (1): e53507, Bibcode:2013PLoSO ... 853507D, doi:10.1371 / journal.pone.0053507, PMC  3538536, PMID  23308240.
  5. ^ Elliott, J. C .; Dover, S. D. (1982). „Rentgenová mikrotomografie“. Journal of Microscopy. 126 (2): 211–213. doi:10.1111 / j.1365-2818.1982.tb00376.x. PMID  7086891.
  6. ^ Ghani MU, Zhou Z, Ren L, Li Y, Zheng B, Yang K, Liu H (leden 2016). „Výzkum charakteristik prostorového rozlišení systému mikropočítačové tomografie in vivo“. Jaderné přístroje a metody ve fyzice Výzkum sekce A: Urychlovače, spektrometry, detektory a související zařízení. 807: 129–136. Bibcode:2016 NIMPA.807..129G. doi:10.1016 / j.nima.2015.11.007. PMC  4668590. PMID  26640309.
  7. ^ van Aarle W, Palenstijn WJ, De Beenhouwer J, Altantzis T, Bals S, Batenburg KJ, Sijbers J (říjen 2015). „Sada nástrojů ASTRA: Platforma pro pokročilý vývoj algoritmů v elektronové tomografii“. Ultramikroskopie. 157: 35–47. doi:10.1016 / j.ultramic.2015.05.002. PMID  26057688.
  8. ^ van Aarle W, Palenstijn WJ, Cant J, Janssens E, Bleichrodt F, Dabravolski A, et al. (Říjen 2016). „Rychlá a flexibilní rentgenová tomografie pomocí sady nástrojů ASTRA“. Optika Express. 24 (22): 25129–25147. Bibcode:2016Oexpr..2425129V. doi:10.1364 / OE.24.025129. PMID  27828452.
  9. ^ Vybalení klínového písma tablety zabalené v hliněné obálce na Youtube. Zpracování a vizualizace dat pomocí Softwarový rámec GigaMesh srov. doi: 10,11588 / heidok.00026892.
  10. ^ Enders C, Braig EM, Scherer K, Werner JU, Lang GK, Lang GE a kol. (2017-01-27). „Pokročilé nedestruktivní metody vizualizace očí vylepšenými rentgenovými zobrazovacími technikami“. PLOS ONE. 12 (1): e0170633. Bibcode:2017PLoSO..1270633E. doi:10.1371 / journal.pone.0170633. PMC  5271321. PMID  28129364.
  11. ^ Mizutani R, Suzuki Y (únor 2012). „Rentgenová mikrotomografie v biologii“. Mikron. 43 (2–3): 104–15. arXiv:1609.02263. doi:10.1016 / j.micron.2011.10.002. PMID  22036251.
  12. ^ van de Kamp T, Vagovič P, Baumbach T, Riedel A (červenec 2011). „Biologický šroub v noze brouka“. Věda. 333 (6038): 52. Bibcode:2011Sci ... 333 ... 52V. doi:10.1126 / science.1204245. PMID  21719669.
  13. ^ Bulantová J, Macháček T, Panská L, Krejčí F, Karch J, Jährling N, et al. (Duben 2016). „Trichobilharzia regenti (Schistosomatidae): 3D zobrazovací techniky při charakterizaci migrace larev přes CNS obratlovců“. Mikron. 83: 62–71. doi:10.1016 / j.micron.2016.01.009. PMID  26897588.
  14. ^ Nikdy, Christoph; Keiler, Jonas; Glenner, Henrik (01.07.2016). "První 3D rekonstrukce kořenového systému rhizocephalan pomocí MicroCT". Journal of Sea Research. Ekologie a vývoj mořských parazitů a nemocí. 113: 58–64. Bibcode:2016JSR ... 113 ... 58N. doi:10.1016 / j.seares.2015.08.002.
  15. ^ Nagler C, Haug JT (01.01.2016). „Funkční morfologie parazitických stejnonožců: porozumění morfologickým úpravám připojovacích a krmných struktur v Nerocile jako předpoklad pro rekonstrukci vývoje Cymothoidae“. PeerJ. 4: e2188. doi:10,7717 / peerj.2188. PMC  4941765. PMID  27441121.
  16. ^ Newton AH, Spoutil F, Prochazka J, Black JR, Medlock K, Paddle RN a kol. (Únor 2018). „Pustit„ kočku “z vaku: mladý vývoj vyhynulého tasmánského tygra odhalený rentgenovou počítačovou tomografií“. Royal Society Open Science. 5 (2): 171914. Bibcode:2018RSOS .... 571914N. doi:10.1098 / rsos.171914. PMC  5830782. PMID  29515893.
  17. ^ Hautier L, Stansfield FJ, Allen WR, Asher RJ (červen 2012). „Vývoj skeletu u afrického slona a načasování osifikace u placentálních savců“. Řízení. Biologické vědy. 279 (1736): 2188–95. doi:10.1098 / rspb.2011.2481. PMC  3321712. PMID  22298853.
  18. ^ Ding Y, Vanselow DJ, Yakovlev MA, Katz SR, Lin AY, Clark DP a kol. (Květen 2019). "Výpočetní 3D histologická fenotypizace celého zebrafish pomocí rentgenové histotomografie". eLife. 8. doi:10,7554 / eLife.44898. PMC  6559789. PMID  31063133.
  19. ^ Hampe O, Franke H, Hipsley CA, Kardjilov N, Müller J (květen 2015). "Prenatální lebeční osifikace keporkaků (Megaptera novaeangliae)". Journal of Morphology. 276 (5): 564–82. doi:10.1002 / jmor.20367. PMID  25728778.
  20. ^ Gerard van Dalen, Han Blonk, Henrie van Aalst, Cris Luengo Hendriks 3D zobrazování potravin pomocí rentgenové mikrotomografie Archivováno 19. července 2011, v Wayback Machine. G.I.T. Zobrazování a mikroskopie (březen 2003), s. 18–21
  21. ^ Hughes N, Askew K, Scotson CP, Williams K, Sauze C, Corke F a kol. (2017-11-01). „Nedestruktivní analýza obsahu pšeničných zrn s vysokým obsahem pomocí rentgenové mikroskopické tomografie“. Rostlinné metody. 13 (1): 76. doi:10.1186 / s13007-017-0229-8. PMC  5664813. PMID  29118820.
  22. ^ Garwood R, Dunlop JA, Sutton MD (prosinec 2009). „Vysoce věrná rentgenová mikrom tomografie rekonstrukce pavouků karbonských hostovaných sideritem“. Biologické dopisy. 5 (6): 841–4. doi:10.1098 / rsbl.2009.0464. PMC  2828000. PMID  19656861.
  23. ^ Kachovich, S., Sheng, J. a Aitchison, J.C., 2019. Přidání nové dimenze vyšetřování rané radiolarianské evoluce. Vědecké zprávy, 9 (1), str. 1-10. doi:10.1038 / s41598-019-42771-0.
  24. ^ Jurewicz, A. J. G .; Jones, S. M .; Tsapin, A .; Mih, D. T .; Connolly, H. C., Jr.; Graham, G. A. (2003). „Vyhledání částic podobných hvězdnému prachu v aerogelu pomocí rentgenových technik“ (PDF). Měsíční a planetární věda. XXXIV: 1228. Bibcode:2003LPI .... 34.1228J.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  25. ^ Tsuchiyama A, Uesugi M, Matsushima T, Michikami T, Kadono T, Nakamura T a kol. (Srpen 2011). „Trojrozměrná struktura vzorků Hayabusa: původ a vývoj regolitu Itokawa“. Věda. 333 (6046): 1125–8. Bibcode:2011Sci ... 333.1125T. doi:10.1126 / science.1207807. PMID  21868671.
  26. ^ Lowe T, Garwood RJ, Simonsen TJ, Bradley RS, Withers PJ (červenec 2013). „Metamorfóza odhalena: časosběrné trojrozměrné zobrazování uvnitř živé kukly“. Journal of the Royal Society, Interface. 10 (84): 20130304. doi:10.1098 / rsif.2013.0304. PMC  3673169. PMID  23676900.
  27. ^ Onelli OD, Kamp TV, Skepper JN, Powell J, Rolo TD, Baumbach T, Vignolini S (květen 2017). "Vývoj strukturální barvy u listových brouků". Vědecké zprávy. 7 (1): 1373. Bibcode:2017NatSR ... 7.1373O. doi:10.1038 / s41598-017-01496-8. PMC  5430951. PMID  28465577.
  28. ^ Perna A, Theraulaz G (leden 2017). „Když je sociální chování formováno v jílu: o růstu a formě sociálních hmyzích hnízd“. The Journal of Experimental Biology. 220 (Pt 1): 83–91. doi:10.1242 / jeb.143347. PMID  28057831.

externí odkazy