Die Nährstoffradiographie und die Computertomographie sind aufgrund der Empfindlichkeit der Nährstoffe gegenüber Wasserstoffatomen einzigartig positioniert, um biologische Proben zu messen. Der Hauptvorteil dieser Techniken besteht darin, zerstörungsfreie und nicht-invasive dreidimensionale Karten des Wasserstoffgehalts in Gewebeproben oder des Wassergehalts in Pflanzenwurzeln und -böden zu erstellen. Die Nährstoffbildgebung ist auf viele verschiedene Forschungsbereiche anwendbar, z. B. auf Energiematerialien, Materialwissenschaften, Ingenieurwesen, Pflanzen, Boden, Wasserbewegungen usw.
Diese Technik kann aufgrund der Risiken der Strahlenbelastung nicht für die Therapie oder Institutsdiagnostik verwendet werden. Es kann aber zum Beispiel zur Bestimmung von Tumorrändern in kleinen resezierten intakten Tumoren verwendet werden. Ich empfehle einer Person, die sich für diese Technik interessiert, sich mit uns in Verbindung zu setzen und ihre Forschungsfragen zu besprechen.
Unsere Informationen finden Sie auf unserer Website, neutrons.ornl.gov. Yuxuan Zang, Wissenschaftler für Neutronenstreuung, Jean Bilheux, Wissenschaftler für Computerinstrumente, und Erik Stringfellow, wissenschaftlicher Mitarbeiter aus unserem Imaging-Team, demonstrieren das Verfahren. Öffnen Sie zunächst ein Terminalfenster auf dem Beamline-Computer.
Geben Sie CSS ein und drücken Sie die Eingabetaste, um die Benutzeroberfläche zu starten. Falls nicht standardmäßig geöffnet, wählen Sie auf der Registerkarte Menü die Option Benutzerstart, um die APEX Imaging-Oberfläche zu öffnen. Wählen Sie auf der ersten Registerkarte der Benutzeroberfläche, ProposalCameraSE-Gerät, die Beamline-Optik aus, indem Sie auf die Schaltfläche Optik neben Kamera/Detektoren klicken.
Klicken Sie auf die Schaltfläche Schlitze, um die Größe der Lochblende und die Öffnung des Schlitzsystems einzustellen. Schrauben Sie den Rotationstisch auf die XY-Tische, auf denen die Probe platziert werden soll. Wenn Sie einen anderen Detektor als CCD verwenden, wählen Sie ein Objektiv entsprechend der gewünschten räumlichen Auflösung und Brennweite aus.
Nachdem Sie die Kamera fokussiert haben, fokussieren Sie das Bild auf die Position des Neutronenszintillators. Legen Sie dann eine neutronenabsorbierende Auflösungsmaske an den Detektorszintillator, um den Linsenfokus mit Neutronen fein abzustimmen. Automatisieren Sie als Nächstes mit APEX die Bewegung des Detektormotors und erfassen Sie übermäßige Röntgenbilder mit verschiedenen Detektorpositionen vom Spiegel aus.
Vergleichen Sie die Röntgenaufnahmen, indem Sie Linienpaare in einer Bildsoftware wie Fiji oder ImageJ auswerten. Befestigen Sie dann die Probe in einem geeigneten Aluminiumbehälter oder einer strapazierfähigen Aluminiumfolie und platzieren Sie die Probe so nah wie möglich am Detektor auf dem Rotationstisch. Messen Sie den Abstand zwischen Probe und Detektor und entnehmen Sie die Probe.
Ersetzen Sie sie durch die Auflösungsmaske, um die Pixelgröße an der Abtastposition in dieser Beamline-Konfiguration auszuwerten. Werten Sie anhand einer bekannten Feature-Dimension die Anzahl der Pixel im Feature aus, um die Pixelgröße zu bestimmen. Positionieren Sie die Probe auf dem Rotationstisch neu.
Richten Sie als Nächstes auf der Registerkarte "Probe ausrichten" in der APEX-Benutzeroberfläche die Probe auf den Neutronenstrahl aus, indem Sie aufeinanderfolgende, schnelle Röntgenaufnahmen machen, während sich die Probe bewegt, bis sie vollständig vom Detektor aus sichtbar ist. Speichern Sie die Beispielausrichtungsdatei. Bevor Sie mit dem CT-Scan beginnen, klicken Sie auf die Registerkarte Probe ausrichten und verwenden Sie die Option Automatische Probenrotationsprüfung, um zu überprüfen, ob die Probe in verschiedenen Winkeln im Sichtfeld bleibt, indem Sie Röntgenbilder bewerten, da sie in unterschiedlichen Probenausrichtungen mit dem Strahl erstellt werden.
Wählen Sie die erste APEX-Registerkarte mit dem Namen ProposalCameraSE Device aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Vorschlag oder Muster wechseln. Wählen Sie die Projektnummer und die Proben-ID, die gemessen werden sollen, in der Stichprobenliste auf der rechten Seite und der Liste der Vorschläge auf der linken Seite aus.
Verwenden Sie den Zurück-Pfeil, um zur APEX-Hauptschnittstelle zurückzukehren. Wählen Sie in der Optionsliste Kameradetektor den Detektor aus vier verfügbaren Detektoren und/oder CCD und/oder sCMOS, SBIG CCD oder MCP aus. Klicken Sie im Abschnitt Sample Environment Device auf Rotation Stage, CT Scan.
Wählen Sie dann eine der Rotationsstufen aus, die der zu scannenden Probe entspricht. Wählen Sie unten auf der Registerkarte den Datenerfassungsmodus und dann den weißen Strahl aus. Wählen Sie dann die zweite APEX-Registerkarte mit dem Namen Align Sample (Stichprobe ausrichten) aus.
Geben Sie einen Beispieldateinamen ein, drücken Sie die Eingabetaste. Wiederholen Sie diesen Vorgang für den Namen des Unterordners. Angenommen, die Probe ist ausgerichtet und bereit für die CT. Wählen Sie eine gewünschte Aufnahmezeit aus und klicken Sie auf die Schaltfläche Schnellbilder aufnehmen, um eine Reihe von Röntgenaufnahmen mit unterschiedlichen Aufnahmezeiten zu erfassen.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu bewerten, öffnen Sie die gesammelten Röntgenaufnahmen in ImageJ oder Fiji und zeichnen Sie ein Profil, das von der Probe bis zu einem offenen Bereich reicht. Wenn mehrere Samples auf dem XY-Tisch auf mehreren Rotationstischen eingestellt sind, zeichnen Sie jede Probenposition nach der Ausrichtung auf und klicken Sie auf die Schaltfläche In einer Datei speichern, um die Daten als CSV-Datei zu speichern. Wählen Sie als Nächstes die dritte APEX-Registerkarte mit dem Titel Daten sammeln, um die CT-Scan-Parameter einzurichten.
Geben Sie einen Dateinamen in die erste beschreibbare Zeile ein, drücken Sie die Eingabetaste. Wiederholen Sie diesen Vorgang für den Namen des Unterordners. Wählen Sie im Abschnitt "Sample mit der gespeicherten Datei ausrichten" die Datei aus, in der zuvor die Positionen des Sample-Motors aufgezeichnet wurden.
Klicken Sie auf Mit Datei ausrichten, um die Probe wieder in Position im Neutronenstrahl zu bringen. Um die Anzahl der Projektionen basierend auf dem Satz von Nyquist zu berechnen, berechnen Sie zunächst die Anzahl der Pixel über die horizontale Dimension der Stichprobe und multiplizieren Sie sie mit 1,5, um die Anzahl der Projektionen zu erhalten, die erforderlich sind, um die Stichprobe von Nyquist zu erfüllen. Geben Sie den Rotationsstartwinkel, den Rotationsendewinkel, die Rotationsschrittgröße, die Anzahl der Bilder pro Schritt und die Belichtungszeit für jedes Bild ein.
Starten Sie den CT-Scan, indem Sie auf die Schaltfläche Daten sammeln klicken. Greifen Sie auf dem Linux-Analyseserver auf das Imaris 3D-Notizbuch zu, indem Sie auf die obere Menüverknüpfung, Anwendungen und dann auf Analyse-Bildgebung und CT-Rekonstruktion klicken. Führen Sie die ersten Zeilen des Codes aus, um die Werkzeuge zu laden, die zum Ausführen von Imaris 3D erforderlich sind.
Laden Sie die Daten flach und im Dunkelfeld. Stellen Sie sicher, dass alle drei Datensätze ordnungsgemäß geladen sind. Schneiden Sie die Daten zu, indem Sie den gewünschten Bereich im Bild auswählen.
Führen Sie die Filterung nach Bedarf durch, indem Sie den Code im Filterabschnitt ausführen. Fahren Sie mit der Normalisierung fort, gefolgt von der Korrektur der Strahlfluktuation. Wählen Sie den Hintergrundbereich aus dem Bild aus, gefolgt von der Übertragung zur Dämpfung.
Führen Sie dann eine automatische Neigungskorrektur durch, indem Sie die Neigung anhand des Codes berechnen und die Neigungskorrektur anwenden. Führen Sie als Nächstes die Streichentfernung und die Berechnung des Rotationszentrums durch. Führen Sie dann eine volumetrische Rekonstruktion durch, und zeigen Sie die Daten an.
Speichern Sie die Daten im Projektnummernordner mit dem Namen Freigegeben. Schalten Sie dann die Amira-Software auf dem Facility Analysis-Server ein, laden Sie die rekonstruierten Slices in die Software und fahren Sie mit der Visualisierung, weiteren Filterung und Analyse fort. Eine speziell entwickelte Schnittstelle wurde entwickelt, um dieses experimentelle Protokoll zu steuern und menschliche Fehler zu minimieren.
Die Schnittstelle durchläuft logisch die notwendigen Schritte vor der Messung einer Probe. Die Neutronen-Computertomographie (NCT) des Oberschenkelknochens einer Ratte mit einem Titanimplantat wird hier gezeigt. Die auf Falschfarbendämpfung basierende NCT des Femurs und ein diagonaler Schnitt durch den Knochen, um das Implantat freizulegen, wurden erhalten.
Das Implantat interagiert nicht so stark mit Neutronen wie das Knochenmaterial, so dass seine Dämpfung minimal ist und es dunkler erscheint als der umgebende Knochen. Der trabekuläre Knochen, der sich im Markraum des Femurs befindet, ist am proximalen Ende der Probe deutlich sichtbar. Die Fähigkeit von Neutronen, Weichteilproben zu detektieren, wurde an einer ethanolfixierten Mauslunge demonstriert.
Das rekonstruierte Volumen der Lunge wurde aus NCT gewonnen. Ein Schnitt durch den rechten Lungenlappen ist hier dargestellt. Die volumetrische Falschfarbenwiedergabe eines Pflanzenwurzel- und Bodensystems in einem rechteckigen Aluminiumbehälter wurde ebenfalls erhalten.
Trotz eines schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses ist das Wurzelsystem im Boden in vertikalen Schnitten der Probe deutlich sichtbar. Es ist wichtig, die Pixelgröße zu bewerten, damit die aufgenommenen Bilder auf die physischen Abmessungen übertragen werden können. Die Qualität der 3D-Volumenrekonstruktion hängt von einer guten Abtastung nach dem Nyquist-Theorem ab.
Fortgeschrittenere Neutronenbildgebungsverfahren, wie z. B. die Neutronenbewertungsinterferometrie, können nach einem ähnlichen Verfahren durchgeführt werden. Diese neuartigen Methoden würden Fragen beantworten, wie zum Beispiel die dreidimensionale Verteilung der Nanoporosität in porösen Materialien. Neutronenröntgen und Computertomographie haben eine breite wissenschaftliche Wirkung.
Diese Techniken dienen der Anwendung und dem Verständnis von Batterien und ihrem Ausfallmechanismus. Fortschrittliches Materialverhalten wie 3D-gedruckte Materialien, Archäologie, Biologie und bessere Lokalisierung von Tumoren.
