Рентгеновская микротомография - X-ray microtomography

3D-рендеринг микро КТ прыгун.
3D-рендеринг микроконтактной томографии листа, разрешение около 40 мкм /воксель.
Двухфазный µCT анализ Ti2AlC / Al Фаза MAX составной[1]

Рентгеновская микротомография, подобно томография и Рентгеновская компьютерная томография, использует Рентгеновские лучи для создания поперечных сечений физического объекта, которые можно использовать для воссоздания виртуальной модели (3D модель ) без разрушения исходного объекта. В префикс микро- (символ: µ) используется для обозначения того, что пиксель размеры поперечных сечений указаны в микрометр классифицировать.[2] Эти размеры пикселей также привели к условиям рентгеновская томография высокого разрешения, микрокомпьютерная томография (микро-КТ или же мкКТ) и аналогичные термины. Иногда условия КТ высокого разрешения (КТВР) и микро-КТ различаются,[3] но в других случаях термин микро-КТ высокого разрешения используется.[4] Практически вся томография сегодня - это компьютерная томография.

Micro-CT может применяться как в медицинская визуализация И в промышленная компьютерная томография. В общем, существует два типа настроек сканера. В одной установке источник рентгеновского излучения и детектор обычно неподвижны во время сканирования, в то время как образец / животное вращается. Вторая установка, больше похожая на клинический компьютерный томограф, основана на гентри, где животное / образец неподвижны в пространстве, а рентгеновская трубка и детектор вращаются вокруг. Эти сканеры обычно используются для мелких животных (in vivo сканеры), биомедицинские образцы, пищевые продукты, микрофоссилий и другие исследования, требующие мельчайших подробностей.

Первая система рентгеновской микротомографии была задумана и построена Джимом Эллиоттом в начале 1980-х годов. Первые опубликованные рентгеновские микротомографические изображения были реконструированы срезами небольшой тропической улитки с размером пикселя около 50 микрометров.[5]

Принцип работы

Система визуализации

Реконструкция веерной балки

Система веерного пучка основана на одномерном (1D) детекторе рентгеновского излучения и электронном источнике рентгеновского излучения, создающих 2D поперечные сечения объекта. Обычно используется у человека компьютерная томография системы.

Реконструкция конической балки

Конусно-лучевая система основана на 2D-детекторе рентгеновского излучения (камера ) и электронный рентгеновский источник, создающий проекционные изображения которые позже будут использованы для восстановления поперечных сечений изображения.

Открытые / закрытые системы

Открытая рентгеновская система

В открытой системе рентгеновские лучи могут выходить или просачиваться, поэтому оператор должен оставаться за щитом, иметь специальную защитную одежду или управлять сканером на расстоянии или в другом помещении. Типичными примерами этих сканеров являются версии для людей или предназначенные для больших объектов.

Закрытая рентгеновская система

В закрытой системе вокруг сканера устанавливается защита от рентгеновского излучения, поэтому оператор может поставить сканер на стол или специальный стол. Хотя сканер экранирован, необходимо соблюдать осторожность, и оператор обычно носит дозиметр, поскольку рентгеновские лучи имеют тенденцию поглощаться металлом, а затем повторно излучаться, как антенна. Хотя обычный сканер будет производить относительно безвредный объем рентгеновских лучей, повторное сканирование в короткие сроки может представлять опасность. Цифровые детекторы с малым шагом пикселей и рентгеновские трубки с микрофокусом обычно используются для получения изображений с высоким разрешением.[6]

Закрытые системы имеют тенденцию становиться очень тяжелыми, потому что свинец используется для защиты от рентгеновских лучей. Поэтому в меньших сканерах остается мало места для образцов.

Реконструкция 3D изображения

Принцип

Поскольку сканеры микротомографии предлагают изотропный или близкое к изотропному разрешение, отображение изображений не должно ограничиваться обычными осевыми изображениями. Вместо этого программа может создать том, «складывая» отдельные срезы один поверх другого. Затем программа может отображать объем альтернативным способом.

Программное обеспечение для реконструкции изображений

Для рентгеновской микротомографии доступно мощное программное обеспечение с открытым исходным кодом, такое как набор инструментов ASTRA.[7][8] ASTRA Toolbox - это набор инструментов MATLAB, состоящий из высокопроизводительных примитивов графического процессора для 2D и 3D томографии, с 2009 по 2014 год, разработанный iMinds-Vision Lab, Университет Антверпена и с 2014 года совместно разработан iMinds-VisionLab, UAntwerpen и CWI, Амстердам. Набор инструментов поддерживает параллельный, веерный и конусный луч с очень гибким расположением источника / детектора. Доступно большое количество алгоритмов реконструкции, включая FBP, ART, SIRT, SART, CGLS.

Объемный рендеринг

Объемный рендеринг - это метод, используемый для отображения двухмерной проекции набора трехмерных дискретно выбранных данных, созданных с помощью микротомографического сканера. Обычно они получаются в виде регулярного шаблона (например, один срез на каждый миллиметр) и обычно имеют регулярное количество пикселей изображения в регулярном шаблоне. Это пример регулярной объемной сетки с каждым элементом объема или вокселем, представленным одним значением, которое получается путем выборки непосредственной области, окружающей воксель.

Сегментация изображения

Если разные структуры имеют одинаковую пороговую плотность, их невозможно разделить, просто настроив параметры объемного рендеринга. Решение называется сегментация, ручная или автоматическая процедура, которая может удалить нежелательные структуры с изображения.

Типичное использование

Археология

Биомедицинский

  • Обе in vitro и in vivo визуализация мелких животных
  • Образцы кожи человека
  • Образцы костей, размером от грызунов до биоптатов человека.
  • Визуализация легких с использованием респираторного стробирования
  • Визуализация сердечно-сосудистой системы с использованием стробирования сердца
  • Визуализация человеческого глаза, глазных микроструктур и опухолей[10]
  • Визуализация опухоли (могут потребоваться контрастные вещества)
  • Визуализация мягких тканей[11]
  • Насекомые[12]
  • Паразитология - миграция паразитов,[13] морфология паразита[14][15]

Биология развития

  • Отслеживание развития вымершего тасманского тигра во время роста в сумке[16]
  • Модельные и немодельные организмы (слоны,[17] данио[18] и киты[19])

Электроника

  • Мелкие электронные компоненты. Например. DRAM IC в пластиковом кейсе.

Микроустройства

Композитные материалы и металлические пены

  • Керамика и композиты керамика – металл.[1] Микроструктурный анализ и исследование отказов
  • Композитный материал с стекловолокно От 10 до 12 микрометры в диаметре

Полимеры, пластмассы

Бриллианты

  • Обнаружение дефектов в алмаз и найти лучший способ его разрезать.

Еда и семена

  • Трехмерное изображение пищевых продуктов с помощью рентгеновской микротомографии[20]
  • Анализ воздействия жары и засухи на продовольственные культуры[21]

Дерево и бумага

Строительные материалы

Геология

В геологии он используется для анализа микропор в породах-коллекторах, может применяться в микрофации анализ для стратиграфии последовательностей. В нефть разведка используется для моделирования нефтяного потока под микропорами и наночастицами.

Он может дать разрешение до 1 нм.

Окаменелости

Микрофоссилий

Рентгеновская микротомография радиолярий, Triplococcus acanthicus
Это микрофоссилие из Средний ордовик с четырьмя вложенными сферами. Самая внутренняя сфера выделена красным. Каждый сегмент показан в одном масштабе.[23]
  • Придонные фораминиферы

Космос

Стерео изображения

  • Визуализация с помощью синих и зеленых или синих фильтров, чтобы увидеть глубину

Другие

Рекомендации

  1. ^ а б Hanaor, D.A.H .; Hu, L .; Kan, W.H .; Пруст, Г .; Foley, M .; Караман, И .; Радович, М. (2019). «Характеристики сжатия и распространение трещин в сплаве Al / Ti.2Композиты AlC ». Материаловедение и инженерия A. 672: 247–256. arXiv:1908.08757. Bibcode:2019arXiv190808757H. Дои:10.1016 / j.msea.2016.06.073.
  2. ^ Рентген + микротомография в Национальной медицинской библиотеке США Рубрики медицинской тематики (MeSH)
  3. ^ Дам Кэрролл Дж. Р., Чандра А., Джонс А. С., Беренд Н., Магнуссен Дж. С., Кинг Г. Г. (2006-07-26), «Размеры дыхательных путей, измеренные с помощью микрокомпьютерной томографии и компьютерной томографии высокого разрешения», Eur Respir J, 28 (4): 712–720, Дои:10.1183/09031936.06.00012405, PMID  16870669.
  4. ^ Дуан Дж, Ху Ц., Чен Х (2013-01-07), "Микро-КТ высокого разрешения для морфологической и количественной оценки синусоиды кавернозной гемангиомы печени человека", PLOS One, 8 (1): e53507, Bibcode:2013PLoSO ... 853507D, Дои:10.1371 / journal.pone.0053507, ЧВК  3538536, PMID  23308240.
  5. ^ Elliott, J.C .; Довер, С. Д. (1982). «Рентгеновская микротомография». Журнал микроскопии. 126 (2): 211–213. Дои:10.1111 / j.1365-2818.1982.tb00376.x. PMID  7086891.
  6. ^ Гани М.Ю., Чжоу З., Рен Л., Ли И, Чжэн Б., Ян К., Лю Х. (январь 2016 г.). «Исследование характеристик пространственного разрешения системы микрокомпьютерной томографии in vivo». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 807: 129–136. Bibcode:2016NIMPA.807..129G. Дои:10.1016 / j.nima.2015.11.007. ЧВК  4668590. PMID  26640309.
  7. ^ ван Арле В., Паленстайн В. Дж., Де Бенхауэр Дж., Альтанцис Т., Балс С., Батенбург К. Дж., Сейберс Дж. (октябрь 2015 г.). «ASTRA Toolbox: платформа для разработки передовых алгоритмов электронной томографии». Ультрамикроскопия. 157: 35–47. Дои: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. (Октябрь 2016 г.). «Быстрая и гибкая рентгеновская томография с использованием инструментария ASTRA». Оптика Экспресс. 24 (22): 25129–25147. Bibcode:2016OExpr..2425129V. Дои:10.1364 / OE.24.025129. PMID  27828452.
  9. ^ Распаковка клинописи, завернутой в глиняный конверт на YouTube. Обработка и визуализация данных с помощью Программный фреймворк GigaMesh, ср. DOI: 10.11588 / heidok.00026892.
  10. ^ Эндерс С., Брейг Е.М., Шерер К., Вернер Дж. Ю, Ланг Г.К., Ланг Г.Е. и др. (2017-01-27). «Передовые методы неразрушающей визуализации глаз с помощью улучшенных методов рентгеновской визуализации». PLOS ONE. 12 (1): e0170633. Bibcode:2017PLoSO..1270633E. Дои:10.1371 / journal.pone.0170633. ЧВК  5271321. PMID  28129364.
  11. ^ Mizutani R, Suzuki Y (февраль 2012 г.). «Рентгеновская микротомография в биологии». Микрон. 43 (2–3): 104–15. arXiv:1609.02263. Дои:10.1016 / j.micron.2011.10.002. PMID  22036251.
  12. ^ ван де Камп Т., Вагович П., Баумбах Т., Ридель А. (июль 2011 г.). «Биологический винт в ноге жука». Наука. 333 (6038): 52. Bibcode:2011Наука ... 333 ... 52В. Дои:10.1126 / science.1204245. PMID  21719669.
  13. ^ Булантова Я., Махачек Т., Панска Л., Крейчи Ф., Карч Я., Ярлинг Н. и др. (Апрель 2016 г.). «Trichobilharzia regenti (Schistosomatidae): методы трехмерной визуализации для характеристики миграции личинок через ЦНС позвоночных». Микрон. 83: 62–71. Дои:10.1016 / j.micron.2016.01.009. PMID  26897588.
  14. ^ Ноевер, Кристоф; Кейлер, Йонас; Гленнер, Хенрик (01.07.2016). «Первая трехмерная реконструкция корневой системы ризоцефалана с помощью MicroCT». Журнал морских исследований. Экология и эволюция морских паразитов и болезней. 113: 58–64. Bibcode:2016JSR ... 113 ... 58N. Дои:10.1016 / j.seares.2015.08.002.
  15. ^ Наглер К., Хауг Дж. Т. (01.01.2016). «Функциональная морфология паразитических изопод: понимание морфологической адаптации структур прикрепления и питания у Nerocila как предпосылка для реконструкции эволюции Cymothoidae». PeerJ. 4: e2188. Дои:10.7717 / peerj.2188. ЧВК  4941765. PMID  27441121.
  16. ^ Newton AH, Spoutil F, Prochazka J, Black JR, Medlock K, Paddle RN и др. (Февраль 2018). «Выпущение« кошки »из мешка: детеныш вымершего тасманского тигра, обнаруженный с помощью рентгеновской компьютерной томографии». Королевское общество открытой науки. 5 (2): 171914. Bibcode:2018RSOS .... 571914N. Дои:10.1098 / rsos.171914. ЧВК  5830782. PMID  29515893.
  17. ^ Hautier L, Stansfield FJ, Allen WR, Asher RJ (июнь 2012 г.). «Развитие скелета у африканского слона и время окостенения у плацентарных млекопитающих». Ход работы. Биологические науки. 279 (1736): 2188–95. Дои:10.1098 / rspb.2011.2481. ЧВК  3321712. PMID  22298853.
  18. ^ Ding Y, Vanselow DJ, Яковлев MA, Katz SR, Lin AY, Clark DP и др. (Май 2019 г.). «Компьютерное трехмерное гистологическое фенотипирование всей рыбки данио с помощью рентгеновской гистотомографии». eLife. 8. Дои:10.7554 / eLife.44898. ЧВК  6559789. PMID  31063133.
  19. ^ Хампе О., Франке Х., Хипсли КА, Карджилов Н., Мюллер Дж. (Май 2015 г.). «Пренатальная оссификация черепа горбатого кита (Megaptera novaeangliae)». Журнал морфологии. 276 (5): 564–82. Дои:10.1002 / jmor.20367. PMID  25728778.
  20. ^ Жерар ван Дален, Хан Блонк, Хенри ван Алст, Крис Луенго Хендрикс Трехмерное изображение пищевых продуктов с помощью рентгеновской микротомографии В архиве 19 июля 2011 г. Wayback Machine. G.I.T. Изображения и микроскопия (март 2003 г.), стр. 18–21.
  21. ^ Hughes N, Askew K, Scotson CP, Williams K, Sauze C, Corke F и др. (2017-11-01). «Неразрушающий высококонтрастный анализ признаков зерна пшеницы с использованием рентгеновской микрокомпьютерной томографии». Растительные методы. 13 (1): 76. Дои:10.1186 / s13007-017-0229-8. ЧВК  5664813. PMID  29118820.
  22. ^ Гарвуд Р., Данлоп Дж. А., Саттон, доктор медицины (декабрь 2009 г.). "Реконструкция высокоточной рентгеновской микротомографии обитающих в сидеритах паукообразных каменноугольных отложений". Письма о биологии. 5 (6): 841–4. Дои:10.1098 / rsbl.2009.0464. ЧВК  2828000. PMID  19656861.
  23. ^ Качович, С., Шенг, Дж. И Эйтчисон, Дж. К., 2019. Новое измерение в исследованиях ранней эволюции радиолярий. Научные отчеты, 9 (1), стр. 1-10. Дои:10.1038 / s41598-019-42771-0.
  24. ^ Jurewicz, A. J. G .; Jones, S.M .; Цапин, А .; Mih, D. T .; Connolly, H.C., Jr .; Грэм, Г. А. (2003). «Обнаружение частиц, подобных звездной пыли, в аэрогеле с помощью рентгеновских методов» (PDF). Луна и планетология. XXXIV: 1228. Bibcode:2003LPI .... 34.1228J.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  25. ^ Цучияма А., Уэсуги М., Мацусима Т., Митиками Т., Кадоно Т., Накамура Т. и др. (Август 2011 г.). «Трехмерная структура образцов Хаябуса: происхождение и эволюция реголита Итокава». Наука. 333 (6046): 1125–8. Bibcode:2011Научный ... 333.1125Т. Дои:10.1126 / science.1207807. PMID  21868671.
  26. ^ Лоу Т., Гарвуд Р.Дж., Симонсен Т.Дж., Брэдли Р.С., Уизерс П.Дж. (июль 2013 г.). «Метаморфоза раскрыта: покадровая трехмерная съемка внутри живой куколки». Журнал Королевского общества, Интерфейс. 10 (84): 20130304. Дои:10.1098 / rsif.2013.0304. ЧВК  3673169. PMID  23676900.
  27. ^ Онелли О.Д., Камп ТВ, Скеппер Дж. Н., Пауэлл Дж., Роло Т. Д., Баумбах Т., Виньолини С. (май 2017 г.). «Развитие структурной окраски листоедов». Научные отчеты. 7 (1): 1373. Bibcode:2017НатСР ... 7.1373O. Дои:10.1038 / s41598-017-01496-8. ЧВК  5430951. PMID  28465577.
  28. ^ Perna A, Theraulaz G (январь 2017 г.). «Когда социальное поведение лепится из глины: о росте и форме гнезд социальных насекомых». Журнал экспериментальной биологии. 220 (Pt 1): 83–91. Дои:10.1242 / jeb.143347. PMID  28057831.

внешняя ссылка