stringtranslate.com

Рентгеновская микротомография

3D-рендеринг микротомографии горбатки .
3D-рендеринг микроКТ-сканирования фрагмента листа, разрешение около 40 мкм/ воксель .
Двухфазный μCT-анализ композита Ti2AlC/Al MAX [1]

В радиографии рентгеновская микротомография использует рентгеновские лучи для создания поперечных сечений физического объекта, которые могут быть использованы для воссоздания виртуальной модели ( 3D-модели ) без разрушения исходного объекта. Это похоже на томографию и рентгеновскую компьютерную томографию . Префикс микро- (символ: μ) используется для указания того, что размеры пикселей поперечных сечений находятся в микрометровом диапазоне. [2] Эти размеры пикселей также привели к созданию его синонимов: рентгеновская томография высокого разрешения , микрокомпьютерная томография ( микро-КТ или μКТ ) и подобных терминов. Иногда термины компьютерная томография высокого разрешения (HRCT) и микро-КТ различаются, [3] но в других случаях используется термин микро-КТ высокого разрешения . [4] Практически вся томография сегодня является компьютерной томографией.

Микро-КТ применяется как в медицинской визуализации , так и в промышленной компьютерной томографии . В целом, существует два типа установок сканера. В одной установке источник рентгеновского излучения и детектор обычно неподвижны во время сканирования, в то время как образец/животное вращается. Вторая установка, гораздо больше похожая на клинический КТ-сканер, основана на гентри, где животное/образец неподвижно в пространстве, в то время как рентгеновская трубка и детектор вращаются вокруг. Эти сканеры обычно используются для небольших животных ( сканеры in vivo ), биомедицинских образцов, продуктов питания, микроископаемых и других исследований, для которых желательна мельчайшая детализация.

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

Принцип работы

Система визуализации

Реконструкция веерной балки

Система веерного луча основана на одномерном (1D) рентгеновском детекторе и электронном рентгеновском источнике, создающем 2D поперечные сечения объекта. Обычно используется в системах компьютерной томографии человека.

Реконструкция конусного луча

Система конусно-лучевого сканирования основана на двухмерном рентгеновском детекторе ( камере ) и электронном источнике рентгеновского излучения, создающем проекционные изображения, которые впоследствии будут использоваться для реконструкции поперечных сечений изображений.

Открытые/закрытые системы

Открытая рентгеновская система

В открытой системе рентгеновские лучи могут выходить или просачиваться, поэтому оператор должен находиться за экраном, иметь специальную защитную одежду или управлять сканером на расстоянии или из другой комнаты. Типичными примерами таких сканеров являются человеческие версии или сканеры, предназначенные для больших объектов.

Закрытая рентгеновская система

В закрытой системе рентгеновская защита устанавливается вокруг сканера, чтобы оператор мог поставить сканер на стол или специальный столик. Хотя сканер защищен, необходимо соблюдать осторожность, и оператор обычно носит с собой дозиметр, поскольку рентгеновские лучи имеют тенденцию поглощаться металлом, а затем повторно излучаться как антенна. Хотя типичный сканер будет производить относительно безвредный объем рентгеновских лучей, повторное сканирование в течение короткого периода времени может представлять опасность. Цифровые детекторы с малым шагом пикселя и микрофокусные рентгеновские трубки обычно используются для получения изображений с высоким разрешением. [6]

Закрытые системы, как правило, становятся очень тяжелыми, поскольку свинец используется для защиты рентгеновских лучей. Поэтому в сканерах меньшего размера есть только небольшое пространство для образцов.

Реконструкция 3D-изображения

Принцип

Поскольку микротомографические сканеры предлагают изотропное или почти изотропное разрешение, отображение изображений не обязательно должно быть ограничено обычными аксиальными изображениями. Вместо этого, возможно, что программа построит объем, «накладывая» отдельные срезы один на другой. Затем программа может отобразить объем альтернативным способом. [7]

Программное обеспечение для реконструкции изображений

Для рентгеновской микротомографии доступно мощное программное обеспечение с открытым исходным кодом, такое как ASTRA Toolbox. [8] [9] ASTRA Toolbox — это набор инструментов MATLAB и Python для высокопроизводительных примитивов GPU для 2D- и 3D-томографии, с 2009 по 2014 год разработанный iMinds-Vision Lab, Университет Антверпена, а с 2014 года совместно разработанный iMinds-VisionLab, UAntwerpen и CWI, Амстердам. Набор инструментов поддерживает параллельный, веерный и конусный луч с очень гибким позиционированием источника/детектора. Доступно большое количество алгоритмов реконструкции, включая FBP, ART, SIRT, SART, CGLS. [10]

Для 3D-визуализации tomviz — популярный инструмент с открытым исходным кодом для томографии. [ необходима цитата ]

Объемная визуализация

Объемная визуализация — это метод, используемый для отображения 2D-проекции 3D-дискретно отобранного набора данных, созданного микротомографическим сканером. Обычно они собираются в регулярном шаблоне, например, один срез на миллиметр, и обычно имеют регулярное количество пикселей изображения в регулярном шаблоне. Это пример регулярной объемной сетки, в которой каждый объемный элемент или воксель представлен одним значением, которое получается путем выборки непосредственной области, окружающей воксель.

Сегментация изображения

Если разные структуры имеют схожую пороговую плотность, может стать невозможным разделить их просто путем регулировки параметров объемного рендеринга. Решение называется сегментацией , ручной или автоматической процедурой, которая может удалить нежелательные структуры с изображения. [11] [12]

Типичное использование

Археология

Биомедицинский

Биология развития

Электроника

Микроустройства

Композитные материалыи металлизированные пены

Полимеры, пластик

Бриллианты

Едаи семена

Древесинаи бумага

Строительные материалы

Геология

В геологии он используется для анализа микропор в породах-коллекторах, [32] [33] он может использоваться в микрофациальном анализе для стратиграфии последовательности. В разведке нефти он используется для моделирования потока нефти под микропорами и наночастицами.

Он может обеспечить разрешение до 1 нм.

Ископаемые

Микроископаемые

Рентгеновская микротомография радиолярии Triplococcus acanthicus
Это микроископаемое из среднего ордовика с четырьмя вложенными сферами. Самая внутренняя сфера выделена красным. Каждый сегмент показан в одинаковом масштабе. [37]

Палеография

Космос

Стерео изображения

Другие

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Hanaor, DAH; Hu, L.; Kan, WH; Proust, G.; Foley, M.; Karaman, I.; Radovic, M. (2019). «Характеристики сжатия и распространение трещин в композитах Al-сплав/Ti 2 AlC». Materials Science and Engineering A . 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . Bibcode : 2019arXiv190808757H. doi : 10.1016/j.msea.2016.06.073. S2CID  201645244.
  2. ^ Рентгенография+микротомография в Национальной медицинской библиотеке США, медицинские предметные рубрики (MeSH)
  3. ^ Dame Carroll JR, Chandra A, Jones AS, Berend N, Magnussen JS, King GG (2006-07-26), «Размеры дыхательных путей, измеренные с помощью микрокомпьютерной томографии и компьютерной томографии высокого разрешения», 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), "Микро-КТ высокого разрешения для морфологической и количественной оценки синусоида в кавернозной гемангиоме печени человека", PLOS One , 8 (1): e53507, Bibcode : 2013PLoSO...853507D, doi : 10.1371/journal.pone.0053507 , PMC 3538536 , PMID  23308240. 
  5. ^ Эллиотт Дж. К., Довер SD (1982). «Рентгеновская микротомография». Журнал микроскопии . 126 (2): 211–213. doi :10.1111/j.1365-2818.1982.tb00376.x. PMID  7086891. S2CID  2231984.
  6. ^ Ghani MU, Zhou Z, Ren L, Li Y, Zheng B, Yang K, Liu H (январь 2016 г.). «Исследование характеристик пространственного разрешения системы микрокомпьютерной томографии in vivo». Ядерные приборы и методы в физике. Раздел исследований A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 807 : 129–136. Bibcode : 2016NIMPA.807..129G. doi : 10.1016 /j.nima.2015.11.007. PMC 4668590. PMID  26640309. 
  7. ^ Карминьято С., Дьюлф В., Лич Р. (2017). Промышленная рентгеновская компьютерная томография. Гейдельберг: Springer. ISBN 978-3-319-59573-3.
  8. ^ ван Арле В., Паленстайн В.Дж., Де Бенхаувер Дж., Альтанцис Т., Балс С. , Батенбург К.Дж., Сийберс Дж. (октябрь 2015 г.). «The ASTRA Toolbox: платформа для разработки передовых алгоритмов в электронной томографии». Ультрамикроскопия . 157 : 35–47. doi :10.1016/j.ultramic.2015.05.002. HDL : 10067/1278340151162165141 . ПМИД  26057688.
  9. ^ ван Арле В., Паленстайн В.Дж., Кант Дж., Янссенс Э., Бляйхродт Ф., Добравольски А. и др. (октябрь 2016 г.). «Быстрая и гибкая рентгеновская томография с использованием набора инструментов ASTRA». Оптика Экспресс . 24 (22): 25129–25147. Бибкод : 2016OExpr..2425129V. дои : 10.1364/OE.24.025129 . hdl : 10067/1392160151162165141 . ПМИД  27828452.
  10. ^ Система рентгеновской микротомографии в квазиреальном времени на усовершенствованном источнике фотонов. США. Министерство энергетики. 1999.
  11. ^ Андре, Хайко; Комбарет, Николас; Дворкин, Джек; Глатт, Эрик; Хан, Джунхи; Кабель, Маттиас; Кем, Ёнсук; Крзикалла, Фабиан; Ли, Минхуэй; Мадонна, Клаудио; Марш, Майк; Мукерджи, Тапан; Сэнгер, Эрик Х.; Сайн, Ратнанабха; Саксена, Нишанк (2013-01-01). "Цифровые тесты физики горных пород — Часть I: Визуализация и сегментация". Компьютеры и науки о Земле . Тестовые задачи, наборы данных и методологии для вычислительных наук о Земле. 50 : 25–32. Bibcode :2013CG.....50...25A. doi :10.1016/j.cageo.2012.09.005. ISSN  0098-3004. S2CID  5722082.
  12. ^ Fu J, Thomas HR, Li C (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Earth-Science Reviews . 212 : 103439. Bibcode : 2021ESRv..21203439F. doi : 10.1016/j.earscirev.2020.103439. S2CID  229386129.
  13. ^ Распаковка клинописной таблички, завернутой в глиняный конверт на YouTube . Обработка и визуализация данных с использованием GigaMesh Software Framework , см. doi:10.11588/heidok.00026892.
  14. ^ Депаннемакер, Дэмиен; Сантос, Луис Э. Кантон; де Алмейда, Антонио-Карлос Гимарайнш; Феррейра, Густаво Б.С.; Баральди, Джованни Л.; Микелес, Эдуардо X.; де Карвальо, Мурило; Коста, Габриэль Шуберт Руис; Маркес, Марсия Х. Гимарайнш; Скорца, Карла А.; Ринкель, Жан (21 августа 2019 г.). «Наночастицы золота для рентгеновской микротомографии нейронов». ACS Химическая нейронаука . 10 (8): 3404–3408. doi : 10.1021/acschemneuro.9b00290. PMID  31274276. S2CID  195805317.
  15. ^ Davis, GR; Evershed, AN; Mills, D (май 2013 г.). «Количественная высококонтрастная рентгеновская микротомография для стоматологических исследований». J. Dent . 41 (5): 475–82. doi :10.1016/j.jdent.2013.01.010. PMID  23380275. Получено 3 марта 2021 г.
  16. ^ Enders C, Braig EM, Scherer K, Werner JU, Lang GK, Lang GE и др. (2017-01-27). «Усовершенствованные методы неразрушающей окулярной визуализации с использованием усовершенствованных методов рентгеновской визуализации». PLOS ONE . 12 (1): e0170633. Bibcode : 2017PLoSO..1270633E. doi : 10.1371/journal.pone.0170633 . PMC 5271321. PMID  28129364 . 
  17. ^ Mizutani R, Suzuki Y (февраль 2012 г.). «Рентгеновская микротомография в биологии». Micron . 43 (2–3): 104–15. arXiv : 1609.02263 . doi :10.1016/j.micron.2011.10.002. PMID  22036251. S2CID  13261178.
  18. ^ van de Kamp T, Vagovič P, Baumbach T, Riedel A (июль 2011 г.). «Биологический винт в ноге жука». Science . 333 (6038): 52. Bibcode :2011Sci...333...52V. doi :10.1126/science.1204245. PMID  21719669. S2CID  8527127.
  19. ^ Lowe T, Garwood RJ, Simonsen TJ, Bradley RS, Withers PJ (июль 2013 г.). «Раскрыты метаморфозы: покадровая трехмерная съемка внутри живой куколки». Журнал Королевского общества, Интерфейс . 10 (84): 20130304. doi :10.1098/rsif.2013.0304. PMC 3673169. PMID  23676900 . 
  20. ^ Онелли О.Д., Камп ТВ., Скеппер Дж.Н., Пауэлл Дж., Роло Т.Д., Баумбах Т., Виньолини С. (май 2017 г.). «Развитие структурной окраски у листоедов». Scientific Reports . 7 (1): 1373. Bibcode :2017NatSR...7.1373O. doi :10.1038/s41598-017-01496-8. PMC 5430951 . PMID  28465577. 
  21. ^ Булантова Дж, Махачек Т, Панска Л, Крейчи Ф, Карч Дж, Ярлинг Н и др. (апрель 2016 г.). «Trichobilharzia regenti (Schistosomatidae): методы трехмерной визуализации для характеристики миграции личинок через ЦНС позвоночных». Микрон . 83 : 62–71. doi :10.1016/j.micron.2016.01.009. ПМИД  26897588.
  22. ^ Ноевер, Кристоф; Кейлер, Йонас; Гленнер, Хенрик (2016-07-01). «Первая 3D-реконструкция корневой системы корнеголовых с использованием MicroCT». Журнал морских исследований . Экология и эволюция морских паразитов и заболеваний. 113 : 58–64. Bibcode :2016JSR...113...58N. doi : 10.1016/j.seares.2015.08.002 . hdl : 1956/12721 .
  23. ^ Nagler C, Haug JT (2016-01-01). "Функциональная морфология паразитических изопод: понимание морфологических адаптаций структур прикрепления и питания у Nerocila как предпосылка для реконструкции эволюции Cymothoidae". PeerJ . 4 : e2188. doi : 10.7717/peerj.2188 . PMC 4941765 . PMID  27441121. 
  24. ^ Карлсон CS, Ханнула M, Постема M (2022). «Микрокомпьютерная томография и ультразвук в режиме яркости показывают наличие воздушных ловушк внутри таблеток». Current Directions in Biomedical Engineering . 8 (2): 41–44. doi : 10.1515/cdbme-2022-1012 . S2CID  251981681.
  25. ^ Newton AH, Spoutil F, Prochazka J, Black JR, Medlock K, Paddle RN и др. (февраль 2018 г.). «Выпускаем „кота“ из сумки: молодое развитие вымершего тасманийского тигра, обнаруженное с помощью рентгеновской компьютерной томографии». Royal Society Open Science . 5 (2): 171914. Bibcode :2018RSOS....571914N. doi :10.1098/rsos.171914. PMC 5830782 . PMID  29515893. 
  26. ^ Hautier L, Stansfield FJ, Allen WR, Asher RJ (июнь 2012 г.). «Развитие скелета африканского слона и сроки окостенения у плацентарных млекопитающих». Труды. Биологические науки . 279 (1736): 2188–95. doi :10.1098/rspb.2011.2481. PMC 3321712. PMID 22298853  . 
  27. ^ Ding Y, Vanselow DJ, Yakovlev MA, Katz SR, Lin AY, Clark DP и др. (Май 2019 г.). «Вычислительное 3D-гистологическое фенотипирование целых данио-рерио с помощью рентгеновской гистотомографии». eLife . 8 . doi : 10.7554/eLife.44898 . PMC 6559789 . PMID  31063133. 
  28. ^ Hampe O, Franke H, Hipsley CA, Kardjilov N, Müller J (май 2015 г.). «Пренатальная черепная оссификация горбатого кита (Megaptera novaeangliae)». Журнал морфологии . 276 (5): 564–82. doi :10.1002/jmor.20367. PMID  25728778. S2CID  43353096.
  29. ^ Жерар ван Дален, Хан Блонк, Генри ван Аалст, Крис Луенго Хендрикс 3-мерная визуализация пищевых продуктов с использованием рентгеновской микротомографии Архивировано 19 июля 2011 г. в Wayback Machine . Визуализация и микроскопия ЖКТ (март 2003 г.), стр. 18–21
  30. ^ Хьюз Н., Аскью К., Скотсон К. П., Уильямс К., Созе К., Корк Ф. и др. (2017-11-01). «Неразрушающий, высококонтентный анализ признаков зерна пшеницы с использованием рентгеновской микрокомпьютерной томографии». Plant Methods . 13 (1): 76. doi : 10.1186/s13007-017-0229-8 . PMC 5664813. PMID  29118820 . 
  31. ^ Nurkkala E, Hannula M, Carlson CS, Hyttinen J, Hopia A, Postema M (2023). «Микрокомпьютерная томография показывает тихие пузырьки в скрипучей моцарелле». Current Directions in Biomedical Engineering . 9 (1): 5–8. doi : 10.1515/cdbme-2023-1002 . S2CID  262087123.
  32. ^ Мунавар, Мухаммад Джавад; Вега, Сандра; Лин, Ченгьян; Альсувайди, Мохаммад; Ахсан, Навид; Бхакта, Ритеш Рамеш (2021-01-01). «Увеличение пористости пластовых пород по фрактальной размерности с использованием трехмерной микрокомпьютерной томографии и двумерных изображений сканирующего электронного микроскопа». Журнал «Технологии энергетических ресурсов» . 143 (1). doi : 10.1115/1.4047589. ISSN  0195-0738. S2CID  224851782.
  33. ^ Сан, Хуафэн; Белхадж, Хади; Тао, Го; Вега, Сандра; Лю, Луофу (2019-04-01). «Оценка свойств горных пород для характеристики карбонатных резервуаров с использованием многомасштабных цифровых изображений горных пород». Журнал нефтяной науки и техники . 175 : 654–664. Bibcode : 2019JPSE..175..654S. doi : 10.1016/j.petrol.2018.12.075. ISSN  0920-4105. S2CID  104311947.
  34. ^ Андре, Хайко; Комбарет, Николас; Дворкин, Джек; Глатт, Эрик; Хан, Джунхи; Кабель, Маттиас; Кем, Ёнсук; Крзикалла, Фабиан; Ли, Минхуэй; Мадонна, Клаудио; Марш, Майк; Мукерджи, Тапан; Сэнгер, Эрик Х.; Сайн, Ратнанабха; Саксена, Нишанк (2013-01-01). "Цифровые тесты физики горных пород — часть II: Вычисление эффективных свойств". Компьютеры и науки о Земле . Тестовые задачи, наборы данных и методологии для вычислительных наук о Земле. 50 : 33–43. Bibcode :2013CG.....50...33A. doi :10.1016/j.cageo.2012.09.008. ISSN  0098-3004.
  35. ^ Сид, Эктор Эдуардо; Карраско-Нуньес, Херардо; Манеа, Влад Константин; Вега, Сандра; Кастаньо, Виктор (01.02.2021). «Роль микропористости в проницаемости геотермальных резервуаров вулканического происхождения: пример Лос-Умерос, Мексика». Geothermics . 90 : 102020. Bibcode :2021Geoth..9002020C. doi :10.1016/j.geothermics.2020.102020. ISSN  0375-6505. S2CID  230555156.
  36. ^ Гарвуд Р., Данлоп JA, Саттон М. Д. (декабрь 2009 г.). «Высокоточная рентгеновская микротомографическая реконструкция паукообразных каменноугольного периода, размещенных в сидерите». Biology Letters . 5 (6): 841–4. doi :10.1098/rsbl.2009.0464. PMC 2828000 . PMID  19656861. 
  37. ^ Качович, С., Шэн, Дж. и Эйтчисон, Дж. К., 2019. Добавление нового измерения в исследования ранней эволюции радиолярий. Научные отчеты, 9(1), стр. 1-10. doi :10.1038/s41598-019-42771-0.
  38. ^ Кастелланос, Сара (2 марта 2021 г.). «Письмо, запечатанное на века, было прочитано — даже не открывая его». The Wall Street Journal . Получено 2 марта 2021 г.
  39. ^ Дамброджио, Яна; Гассаи, Аманда; Стараза Смит, Дэниел; Джексон, Холли; Демейн, Мартин Л. (2 марта 2021 г.). «Раскрытие истории посредством автоматизированного виртуального разворачивания запечатанных документов, полученных с помощью рентгеновской микротомографии». Nature Communications . 12 (1): 1184. Bibcode :2021NatCo..12.1184D. doi :10.1038/s41467-021-21326-w. PMC 7925573 . PMID  33654094. 
  40. ^ Jurewicz, AJG; Jones, SM; Tsapin, A.; Mih, DT; Connolly, HC Jr.; Graham, GA (2003). «Обнаружение частиц, похожих на звездную пыль, в аэрогеле с использованием рентгеновских методов» (PDF) . Lunar and Planetary Science . XXXIV : 1228. Bibcode : 2003LPI....34.1228J.
  41. ^ Цутияма А, Уэсуги М, Мацусима Т, Мичики Т, Кадоно Т, Накамура Т и др. (август 2011 г.). «Трехмерная структура образцов Хаябусы: происхождение и эволюция реголита Итокава». Наука . 333 (6046): 1125–8. Бибкод : 2011Sci...333.1125T. дои : 10.1126/science.1207807. PMID  21868671. S2CID  206534927.
  42. ^ Perna A, Theraulaz G (январь 2017 г.). «Когда социальное поведение лепится из глины: о росте и форме гнезд социальных насекомых». Журнал экспериментальной биологии . 220 (ч. 1): 83–91. doi : 10.1242/jeb.143347 . PMID  28057831.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме рентгеновская микротомография.