橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆的中子射线照相和生物系统计算机断层扫描

由于营养物质对氢原子的敏感性，营养物射线照相和计算机断层扫描在测量生物样品方面具有独特的优势。这些技术的主要优点是提供组织样品中氢含量或植物根部和土壤中水分含量的非破坏性和非侵入性三维图。营养成像适用于许多不同的研究领域，如能源材料、材料科学、工程、植物、土壤、水运动等。

由于辐射暴露的风险，该技术不能用于治疗或研究所诊断。然而，它可用于确定例如小切除的完整肿瘤中的肿瘤边缘。我建议对这种技术感兴趣的人与我们联系并讨论他们的研究问题。

我们的信息可在我们的网站上找到，neutrons.ornl.gov。演示该程序的将是中子散射科学家Yuxuan Zang，计算机仪器科学家Jean Bilheux和我们成像团队的科学助理Erik Stringfellow。首先，在 Beamline 计算机上打开一个终端窗口。

键入 CSS 并按 Enter 键以启动用户界面。如果默认情况下未打开，请选择“菜单”选项卡中的“用户主页”选项以打开 APEX 映像界面。在界面的第一个选项卡“建议相机SE设备”中，通过单击“相机/探测器”旁边的“光学”按钮来选择光束线光学器件。

单击狭缝按钮以设置狭缝系统的针孔孔径大小和开口。将旋转载物台固定在要放置样品的XY载物台上。如果使用CCD以外的探测器，请根据所需的空间分辨率和焦距选择镜头。

相机聚焦后，将图像聚焦在中子闪烁体的位置。然后，将中子吸收分辨率掩模放在探测器闪烁体上，用中子微调透镜焦点。接下来，使用APEX，自动移动探测器电机，并使用镜子上的不同探测器位置收集过多的X光片。

通过在斐济或ImageJ等图像软件工具中评估线对来比较X光片。然后，将样品固定在合适的铝容器或重型铝箔中，并将样品放置在尽可能靠近检测器的旋转台上。测量样品到检测器的距离并取出样品。

将其替换为分辨率掩码，以评估此光束线配置中样本位置的像素大小。使用已知特征维度，评估特征中的像素数以确定像素大小。在旋转台上重新定位样品。

接下来，使用 APEX 界面中的对齐样品选项卡，通过在样品移动时连续快速拍摄 X 光片，直到样品处于探测器的全视图内，将样品与中子束对齐。保存示例对齐文件。在开始CT扫描之前，单击对齐样品选项卡并使用自动样品旋转检查选项，通过评估X光片，以不同的角度验证样品是否以不同角度保留在视野中，因为它们是用光束以不同的样品方向生成的。

选择名为“建议相机SE 设备”的第一个 APEX 选项卡。单击“切换建议”或“示例”按钮。在右侧的样本列表和左侧的建议列表中选择要测量的项目编号和样本 ID。

使用后退箭头返回到主 APEX 界面。在“相机检测器”选项列表中，从四个可用的检测器和/或CCD和/或sCMOS、SMAG CCD或MCP中选择检测器。在“示例环境设备”部分中，单击“旋转阶段”、“CT 扫描”。

然后，选择与要扫描的样品相对应的旋转阶段之一。在选项卡底部，选择数据采集模式，然后选择白光束。然后，选择名为“对齐示例”的第二个 APEX 选项卡。

键入示例文件名，然后按 Enter 键。对子文件夹名称重复此操作。假设样本已对齐并准备好进行 CT。选择所需的采集时间，然后单击“拍摄快速图像”按钮以收集一系列具有不同采集时间的X光片。

要评估信噪比，请在ImageJ或斐济中打开收集的X光片，并绘制从样品到开放区域的轮廓。如果在多个旋转平台上的XY载物台上设置了多个样品，请在对齐后记录每个样品位置，然后单击“保存在文件中”按钮将数据另存为CSV文件。接下来，选择标题为“收集数据”的第三个 APEX 选项卡以设置 CT 扫描参数。

在第一行可写行键入文件名，然后按 Enter 键。 对子文件夹名称重复此操作。在“使用保存的文件对齐样本”部分中，选择先前记录样本电机位置的文件。

单击“使用文件对齐”，使样品回到中子束中的位置。要根据奈奎斯特定理计算投影数，首先计算样本水平维度上的像素数并乘以 1.5 以获得完成奈奎斯特采样所需的投影数。输入旋转开始角度、旋转结束角度、旋转步长、每步图像数和每个图像的曝光时间。

通过单击“收集数据”按钮开始CT扫描。在 Linux 分析服务器上，通过单击顶部菜单快捷方式“应用程序”，然后单击“分析-成像和 CT 重建”来访问 Imaris 3D 笔记本。运行代码的前几行，这将加载运行 Imaris 3D 所需的工具。

加载数据平面和暗场。验证所有三个数据集是否已正确加载。通过选择图像中的感兴趣区域来裁剪数据。

根据需要通过运行筛选部分中的代码来执行筛选。进行归一化，然后进行光束波动校正。从图像中选择背景区域，然后选择传输到衰减。

然后，通过使用代码计算倾斜并应用倾斜校正来执行自动样品倾斜校正。接下来，执行罢工消除和旋转中心计算。然后，执行体积重建并查看数据。

将数据保存在名为“共享”的项目编号文件夹中。然后，在设施分析服务器上打开 Amira 软件，在软件中加载重建的切片，然后继续进行可视化、进一步过滤和分析。开发了一个定制设计的界面来指导该实验方案并最大限度地减少人为错误。

在测量样品之前，界面在逻辑上完成必要的步骤。这里显示了带有钛植入物的大鼠股骨的中子计算机断层扫描（NCT）。获得基于股骨假色衰减的NCT和对角线切开骨以显示植入物。

植入物不像骨骼材料那样与中子相互作用，因此它的衰减很小，看起来比周围的骨骼更暗。位于股骨髓间隙内的小梁骨在样本近端清晰可见。中子检测软组织标本的能力在乙醇固定的小鼠肺上得到证实。

从NCT获得肺的重建体积。这里显示了穿过肺右叶的切口。还获得了矩形铝容器中植物根系和土壤系统的假色体积渲染。

尽管信噪比较差，但在样品的垂直切割中，土壤中的根系清晰可见。评估像素大小至关重要，因此记录的图像可以中继到物理尺寸。三维体积重建的质量依赖于遵循奈奎斯特定理的良好采样。

更先进的中子成像技术，如中子分级干涉测量，可以按照类似的程序进行。这些新方法将回答诸如多孔材料中的三维纳米孔隙率分布等问题。中子射线照相和计算机断层扫描具有广泛的科学影响。

这些技术对电池及其失效机理具有应用和理解作用。先进的材料行为，如3D打印材料，考古学，生物学和更好的肿瘤定位。