stringtranslate.com

Рентгеновская микротомография

3D-рендеринг микроКТ цикадки .
3D-рендеринг микроКТ-скана кусочка листа, разрешение около 40 мкм/ воксель .
Двухфазный микроКТ-анализ фазового композита Ti2AlC/Al MAX [1]

В рентгенографии рентгеновская микротомография использует рентгеновские лучи для создания поперечных сечений физического объекта, которые можно использовать для воссоздания виртуальной модели ( 3D-модели ) без разрушения исходного объекта. Это похоже на томографию и рентгеновскую компьютерную томографию . Префикс микро- (символ: µ) используется для обозначения того, что размеры пикселей поперечных сечений находятся в диапазоне микрометров . [2] Эти размеры пикселей также привели к созданию его синонимов: рентгеновская томография высокого разрешения , микрокомпьютерная томография ( микро-КТ или микроКТ ) и подобных терминов. Иногда различают термины компьютерная томография высокого разрешения (КТВР) и микроКТ [3] , но в других случаях используется термин микроКТ высокого разрешения . [4] Практически вся томография сегодня представляет собой компьютерную томографию.

МикроКТ находит применение как в медицинской визуализации , так и в промышленной компьютерной томографии . 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 неподвижно в пространстве, а рентгеновская трубка и детектор вращаются вокруг. Эти сканеры обычно используются для исследования мелких животных ( сканеры in vivo ), биомедицинских образцов, пищевых продуктов, микрокаменелостей и других исследований, для которых желательны мельчайшие детали.

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

Принцип работы

Система визуализации

Реконструкция веерного луча

Веерная система основана на одномерном (1D) детекторе рентгеновского излучения и электронном источнике рентгеновского излучения, создающем двумерное поперечное сечение объекта. Обычно используется в системах компьютерной томографии человека .

Реконструкция конусной балки

Система конусно-лучевого луча основана на 2D-детекторе рентгеновского излучения ( камере ) и электронном источнике рентгеновского излучения, создающем проекционные изображения, которые позже будут использоваться для восстановления поперечных сечений изображения.

Открытые/закрытые системы

Открытая рентгеновская система

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

Закрытая рентгеновская система

В закрытой системе вокруг сканера надевается рентгеновская защита, чтобы оператор мог разместить сканер на столе или специальном столе. Хотя сканер экранирован, необходимо соблюдать осторожность, и оператор обычно носит с собой дозиметр, поскольку рентгеновские лучи имеют тенденцию поглощаться металлом, а затем повторно излучаться, как антенна. Хотя обычный сканер производит относительно безвредный объем рентгеновских лучей, повторные сканирования в течение короткого периода времени могут представлять опасность. Для получения изображений с высоким разрешением обычно используются цифровые детекторы с малым шагом пикселей и микрофокусные рентгеновские трубки. [6]

Закрытые системы имеют тенденцию становиться очень тяжелыми, поскольку для защиты рентгеновских лучей используется свинец. Поэтому в сканерах меньшего размера имеется лишь небольшое пространство для образцов.

реконструкция 3D-изображения

Принцип

Поскольку микротомографические сканеры обеспечивают изотропное или близкое к изотропному разрешение, отображение изображений не должно ограничиваться обычными аксиальными изображениями. Вместо этого программа может создать том, «накладывая» отдельные фрагменты один на другой. Затем программа может отображать громкость альтернативным способом. [7]

Программное обеспечение для реконструкции изображений

Для рентгеновской микротомографии доступно мощное программное обеспечение с открытым исходным кодом, такое как набор инструментов ASTRA. [8] [9] ASTRA Toolbox — это набор инструментов MATLAB и Python, содержащий высокопроизводительные примитивы графического процессора для 2D- и 3D-томографии, с 2009 по 2014 год разработанный iMinds-Vision Lab, Университет Антверпена, а с 2014 года разработанный совместно iMinds-VisionLab. , Антверпен и КРИ, 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. [10]

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

Объемный рендеринг

Объемный рендеринг — это метод, используемый для отображения 2D-проекции трехмерного набора данных с дискретной выборкой, созданной микротомографическим сканером. Обычно они получаются по регулярному шаблону, например, один срез на каждый миллиметр, и обычно имеют регулярное количество пикселей изображения в регулярном шаблоне. Это пример регулярной объемной сетки, в которой каждый элемент объема или воксель представлен одним значением, полученным путем выборки непосредственной области, окружающей воксель.

Сегментация изображений

Если разные структуры имеют одинаковую пороговую плотность, их может оказаться невозможным разделить просто путем настройки параметров объемного рендеринга. Решение называется сегментацией — ручной или автоматической процедурой, позволяющей удалить нежелательные структуры из изображения [11] . [12]

Типичное использование

Археология

Биомедицинский

Биология развития

Электроника

Микроустройства

Композиционные материалы и металлические пены

Полимеры , пластмассы

Бриллианты

Еда и семена

Дерево и бумага

Строительные материалы

Геология

В геологии его используют для анализа микропор в породах-коллекторах, [32] [33] его можно использовать в микрофациальном анализе для стратиграфии последовательностей. При разведке нефти он используется для моделирования потока нефти под микропорами и наночастицами.

Он может дать разрешение до 1 нм.

Окаменелости

Микрофоссилии

Рентгеновская микротомография радиолярии Triplococcus acanthicus .
Это микрофоссилий среднего ордовика с четырьмя вложенными друг в друга сферами. Самая внутренняя сфера выделена красным. Каждый сегмент показан в одном масштабе. [37]

Палеография

Космос

Стереоизображения

Другие

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Ханаор, DAH; Ху, Л.; Кан, Вашингтон; Пруст, Г.; Фоли, М.; Караман, И.; Радович, М. (2019). «Производительность при сжатии и распространение трещин в композитах сплав Al/Ti 2 AlC». Материаловедение и инженерия А. 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . Бибкод : 2019arXiv190808757H. doi : 10.1016/j.msea.2016.06.073. S2CID  201645244.
  2. ^ Рентген + микротомография в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  3. ^ Дама Кэрролл-младший, Чандра А., Джонс А.С., Беренд Н., Магнуссен Дж.С., Кинг Г.Г. (26 июля 2006 г.), «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. ^ Дуань Дж, Ху С, Чен Х (07 января 2013 г.), «МикроКТ высокого разрешения для морфологической и количественной оценки синусоиды при 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., Дувр С.Д. (1982). «Рентгеновская микротомография». Журнал микроскопии . 126 (2): 211–213. doi :10.1111/j.1365-2818.1982.tb00376.x. PMID  7086891. S2CID  2231984.
  6. ^ Гани М.У., Чжоу З, Рен Л., Ли Ю, Чжэн Б., Ян К., Лю Х (январь 2016 г.). «Исследование характеристик пространственного разрешения системы микрокомпьютерной томографии in vivo». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 807 : 129–136. Бибкод : 2016NIMPA.807..129G. дои :10.1016/j.nima.2015.11.007. ПМЦ 4668590 . ПМИД  26640309. 
  7. ^ Карминьято С., Девульф В., Лич Р. (2017). Промышленная рентгеновская компьютерная томография. Гейдельберг: Спрингер. 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 квазиреального времени в усовершенствованном источнике фотонов. Соединенные Штаты. Министерство энергетики. 1999.
  11. ^ Андре, Хейко; Комбаре, Николя; Дворкин, Джек; Глатт, Эрик; Хан, Джунхи; Кабель, Матиас; Ким, Ёнсык; Крзикалла, Фабиан; Ли, Минхуэй; Мадонна, Клаудио; Марш, Майк; Мукерджи, Тапан; Сенгер, Эрик Х.; Сайн, Ратнанабха; Саксена, Нишанк (1 января 2013 г.). «Эталоны цифровой физики горных пород. Часть I: визуализация и сегментация». Компьютеры и геонауки . Контрольные задачи, наборы данных и методологии для вычислительных наук о Земле. 50 : 25–32. Бибкод : 2013CG.....50...25А. дои : 10.1016/j.cageo.2012.09.005. ISSN  0098-3004. S2CID  5722082.
  12. ^ Фу Дж, Томас HR, Ли С (январь 2021 г.). «Извилистость пористых сред: анализ изображений и физическое моделирование» (PDF) . Обзоры наук о Земле . 212 : 103439. Бибкод : 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 , ср. 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 Карвалью, 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. ^ Дэвис, Греция; Эвершед, АН; Миллс, Д. (май 2013 г.). «Количественная высококонтрастная рентгеновская микротомография для стоматологических исследований». Дж. Дент . 41 (5): 475–82. дои : 10.1016/j.jdent.2013.01.010. ПМИД  23380275 . Проверено 3 марта 2021 г.
  16. ^ Эндерс С., Брейг Э.М., Шерер К., Вернер Ю., Ланг Г.К., Ланг Г.Е. и др. (27 января 2017 г.). «Передовые методы неразрушающей глазной визуализации с помощью усовершенствованных методов рентгеновской визуализации». ПЛОС ОДИН . 12 (1): e0170633. Бибкод : 2017PLoSO..1270633E. дои : 10.1371/journal.pone.0170633 . ПМЦ 5271321 . ПМИД  28129364. 
  17. ^ Мизутани Р., Сузуки Ю. (февраль 2012 г.). «Рентгеновская микротомография в биологии». Микрон . 43 (2–3): 104–15. arXiv : 1609.02263 . doi :10.1016/j.micron.2011.10.002. PMID  22036251. S2CID  13261178.
  18. ^ ван де Камп Т., Вагович П., Баумбах Т., Ридель А. (июль 2011 г.). «Биологический винт в ножке жука». Наука . 333 (6038): 52. Бибкод : 2011Sci...333...52В. дои : 10.1126/science.1204245. PMID  21719669. S2CID  8527127.
  19. ^ Лоу Т., Гарвуд Р.Дж., Симонсен Т.Дж., Брэдли Р.С., Уизерс П.Дж. (июль 2013 г.). «Метаморфоза раскрыта: покадровая трехмерная визуализация внутри живой куколки». Журнал Королевского общества, Интерфейс . 10 (84): 20130304. doi :10.1098/rsif.2013.0304. ПМЦ 3673169 . ПМИД  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». Научные отчеты . 7 (1): 1373. Бибкод : 2017НацСР...7.1373О. дои : 10.1038/s41598-017-01496-8. ПМЦ 5430951 . ПМИД  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 (01 июля 2016 г.). «Первая 3D-реконструкция корневой системы корнеголовых голов с использованием MicroCT». Журнал морских исследований . Экология и эволюция морских паразитов и болезней. 113 : 58–64. Бибкод : 2016JSR...113...58N. дои : 10.1016/j.seares.2015.08.002 . hdl : 1956/12721 .
  23. ^ Наглер С., Хауг Дж.Т. (1 января 2016 г.). «Функциональная морфология паразитических изопод: понимание морфологических адаптаций структур прикрепления и питания у Nerocila как предпосылка для реконструкции эволюции Cymothoidae». ПерДж . 4 : е2188. дои : 10.7717/peerj.2188 . ПМЦ 4941765 . ПМИД  27441121. 
  24. ^ Карлсон CS, Ханнула М, Постема М (2022). «Микрокомпьютерная томография и ультразвуковое исследование в яркостном режиме показывают наличие воздушных пробок внутри таблеток». Современные направления биомедицинской инженерии . 8 (2): 41–44. дои : 10.1515/cdbme-2022-1012 . S2CID  251981681.
  25. ^ Ньютон А.Х., Споутил Ф., Прохазка Дж., Блэк Дж.Р., Медлок К., Паддл Р.Н. и др. (февраль 2018 г.). «Выпуская« кота »из мешка: сумчатое молодое развитие вымершего тасманийского тигра, обнаруженное с помощью рентгеновской компьютерной томографии». Королевское общество открытой науки . 5 (2): 171914. Бибкод : 2018RSOS....571914N. дои : 10.1098/rsos.171914. ПМЦ 5830782 . ПМИД  29515893. 
  26. ^ Отье Л., Стэнсфилд Ф.Дж., Аллен В.Р., Ашер Р.Дж. (июнь 2012 г.). «Развитие скелета африканского слона и время окостенения плацентарных млекопитающих». Слушания. Биологические науки . 279 (1736): 2188–95. дои :10.1098/rspb.2011.2481. ПМК 3321712 . ПМИД  22298853. 
  27. ^ Дин Ю, Ванселов Д.Д., Яковлев М.А., Кац С.Р., Лин А.Ю., Кларк Д.П. и др. (май 2019 г.). «Вычислительное 3D-гистологическое фенотипирование целых рыбок данио с помощью рентгеновской гистотомографии». электронная жизнь . 8 . doi : 10.7554/eLife.44898 . ПМК 6559789 . ПМИД  31063133. 
  28. ^ Хампе О, Франке Х, Хипсли Калифорния, Карджилов Н, Мюллер Дж (май 2015 г.). «Пренатальное черепное окостенение горбатого кита (Megaptera novaeangliae)». Журнал морфологии . 276 (5): 564–82. дои : 10.1002/jmor.20367. PMID  25728778. S2CID  43353096.
  29. ^ Джерард ван Дален, Хан Блонк, Генри ван Алст, Крис Луенго Хендрикс. Трехмерная визуализация пищевых продуктов с использованием рентгеновской микротомографии. Архивировано 19 июля 2011 года в Wayback Machine . Визуализация и микроскопия ЖКТ (март 2003 г.), стр. 18–21.
  30. ^ Хьюз Н., Аскью К., Скотсон С.П., Уильямс К., Соз С., Корк Ф. и др. (01.11.2017). «Неразрушающий высококонцентрационный анализ свойств зерна пшеницы с использованием рентгеновской микрокомпьютерной томографии». Растительные методы . 13 (1): 76. дои : 10.1186/s13007-017-0229-8 . ПМЦ 5664813 . ПМИД  29118820. 
  31. ^ Нурккала Э., Ханнула М., Карлсон К.С., Хиттинен Дж., Хопиа А., Постема М. (2023). «Микрокомпьютерная томография показывает бесшумные пузырьки в скрипучей моцарелле». Современные направления биомедицинской инженерии . 9 (1): 5–8. дои : 10.1515/cdbme-2023-1002 . S2CID  262087123.
  32. ^ Мунавар, Мухаммад Джавад; Вега, Сандра; Линь, Ченгян; Алсувайди, Мохаммед; Ахсан, Навид; Бхакта, Ритеш Рамеш (1 января 2021 г.). «Увеличение пористости пород-коллекторов с помощью фрактальной размерности с использованием трехмерной микрокомпьютерной томографии и двумерных изображений сканирующего электронного микроскопа». Журнал технологий энергетических ресурсов . 143 (1). дои : 10.1115/1.4047589. ISSN  0195-0738. S2CID  224851782.
  33. ^ Сунь, Хуафэн; Белхадж, Хади; Тао, Го; Вега, Сандра; Лю, Луофу (01 апреля 2019 г.). «Оценка свойств горных пород для определения характеристик карбонатных коллекторов с помощью многомасштабных цифровых изображений горных пород». Журнал нефтяной науки и техники . 175 : 654–664. Бибкод : 2019JPSE..175..654S. doi :10.1016/j.petrol.2018.12.075. ISSN  0920-4105. S2CID  104311947.
  34. ^ Андре, Хейко; Комбаре, Николя; Дворкин, Джек; Глатт, Эрик; Хан, Джунхи; Кабель, Матиас; Ким, Ёнсык; Крзикалла, Фабиан; Ли, Минхуэй; Мадонна, Клаудио; Марш, Майк; Мукерджи, Тапан; Сенгер, Эрик Х.; Сайн, Ратнанабха; Саксена, Нишанк (1 января 2013 г.). «Эталоны цифровой физики горных пород - часть II: расчет эффективных свойств». Компьютеры и геонауки . Контрольные задачи, наборы данных и методологии для вычислительных наук о Земле. 50 : 33–43. Бибкод : 2013CG.....50...33A. дои : 10.1016/j.cageo.2012.09.008. ISSN  0098-3004.
  35. ^ Сид, Эктор Эдуардо; Карраско-Нуньес, Херардо; Манея, Влад Константин; Вега, Сандра; Кастаньо, Виктор (01 февраля 2021 г.). «Роль микропористости в проницаемости вулканических геотермальных резервуаров: пример из Лос-Хумероса, Мексика». Геотермия . 90 : 102020. Бибкод : 2021Геот..9002020C. doi :10.1016/j.geothermics.2020.102020. ISSN  0375-6505. S2CID  230555156.
  36. ^ Гарвуд Р., Данлоп Дж. А., Саттон, доктор медицины (декабрь 2009 г.). «Высокоточная рентгеновская микротомография-реконструкция паукообразных каменноугольных паукообразных, обитающих в сидерите». Письма по биологии . 5 (6): 841–4. дои : 10.1098/rsbl.2009.0464. ПМК 2828000 . ПМИД  19656861. 
  37. ^ Качович С., Шэн Дж. и Эйчисон Дж. К., 2019. Добавление нового измерения к исследованиям ранней эволюции радиолярий. Научные отчеты, 9(1), стр.1-10. дои : 10.1038/s41598-019-42771-0.
  38. ↑ Кастельянос, Сара (2 марта 2021 г.). «Письмо, запечатанное на протяжении веков, было прочитано, даже не открывая его». Журнал "Уолл Стрит . Проверено 2 марта 2021 г.
  39. ^ Дамброджо, Яна; Гассаи, Аманда; Стараза Смит, Дэниел; Джексон, Холли; Демейн, Мартин Л. (2 марта 2021 г.). «Открытие истории посредством автоматического виртуального развертывания запечатанных документов, полученных с помощью рентгеновской микротомографии». Природные коммуникации . 12 (1): 1184. Бибкод : 2021NatCo..12.1184D. doi : 10.1038/s41467-021-21326-w. ПМЦ 7925573 . ПМИД  33654094. 
  40. ^ Юревич, AJG; Джонс, С.М.; Цапин А.; Мих, Д.Т.; Коннолли, ХК-младший; Грэм, Джорджия (2003). «Обнаружение частиц, похожих на звездную пыль, в аэрогеле с помощью рентгеновских методов» (PDF) . Лунная и планетарная наука . XXXIV : 1228. Бибкод : 2003LPI....34.1228J.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  41. ^ Цутияма А., Уэсуги М., Мацусима Т., Мичики Т., Кадоно Т., Накамура Т. и др. (август 2011 г.). «Трехмерная структура образцов Хаябуса: происхождение и эволюция реголита Итокава». Наука . 333 (6046): 1125–8. Бибкод : 2011Sci...333.1125T. дои : 10.1126/science.1207807. PMID  21868671. S2CID  206534927.
  42. ^ Перна А, Тераулаз Г (январь 2017 г.). «Когда социальное поведение лепят из глины: о росте и форме гнезд социальных насекомых». Журнал экспериментальной биологии . 220 (Часть 1): 83–91. дои : 10.1242/jeb.143347 . ПМИД  28057831.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с рентгеновской микротомографией.