Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

רדיוגרפיה של נייטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת של מערכות ביולוגיות בכור איזוטופ השטף הגבוה של המעבדה הלאומית אוק רידג'

Published: May 7, 2021 doi: 10.3791/61688
Automatic Translation
*1, *2,3,4, *5, 6, 6, 1,7, 8, 1,9, 1, 9,10, 1
1Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory, 2College of Veterinary Medicine, The University of Tennessee, 3UT-ORNL Graduate School of Genome, Science and Technology, The University of Tennessee, 4Integrity Laboratories, 5Environmental Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory, 6Department of Cell & Molecular Medicine, Rush Medical College, Rush University, 7Computer Science and Mathematics Division, Oak Ridge National Laboratory, 8Electrification and Energy Infrastructures Division, Oak Ridge National Laboratory, 9Now at Second Target Station Project, Oak Ridge National Laboratory, 10Neutron Technologies Division, Oak Ridge National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

כתב יד זה מתאר פרוטוקול לרדיוגרפיה של נייטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת של דגימות ביולוגיות באמצעות אלומת CG-1D של כור איזוטופים בשטף גבוה (HFIR) כדי למדוד שתל מתכת בעצם הירך של חולדה, ריאה של עכבר ומערכת שורשים/קרקע עשבונית של צמחים.

Abstract

נייטרונים שימשו בעבר למגוון רחב של יישומים ביולוגיים תוך שימוש בטכניקות כגון פיזור נייטרונים בזווית קטנה, הד ספין נייטרונים, עקיפה ופיזור קשיח. בניגוד לטכניקות פיזור נייטרונים המקבלות מידע במרחב הגומלין, דימות נייטרונים מבוסס הנחתה מודד אות בחלל האמיתי שנפתר בסדר גודל של עשרות מיקרומטרים. עקרון דימות הנייטרונים עוקב אחר חוק באר-למברט ומבוסס על מדידת הנחתת נייטרונים בתפזורת באמצעות דגימה. הנחתה גדולה יותר מוצגת על ידי כמה יסודות אור (בעיקר, מימן), שהם מרכיבים עיקריים של דגימות ביולוגיות. ניתן להשתמש בחומרי ניגוד כגון דאוטריום, גדוליניום או תרכובות ליתיום כדי לשפר את הניגודיות באופן דומה לזה שנעשה בדימות רפואי, כולל טכניקות כגון הדמיה אופטית, דימות תהודה מגנטית, צילומי רנטגן וטומוגרפיית פליטת פוזיטרונים. עבור מערכות ביולוגיות, רדיוגרפיה של נייטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת שימשו יותר ויותר כדי לחקור את המורכבות של רשת שורשי הצמח התת-קרקעית, את האינטראקציה שלה עם קרקעות, ואת הדינמיקה של שטף מים באתרו. יתר על כן, נבדקו מאמצים להבין פרטים מנוגדים בדגימות בעלי חיים, כגון רקמות רכות ועצמות. כתב יד זה מתמקד בהתקדמות בתחום הדימות הביולוגי של נייטרונים, כגון הכנת דגימות, מכשור, אסטרטגיית איסוף נתונים וניתוח נתונים באמצעות אלומת הדמיה של כור איזוטופ בשטף גבוה CG-1D. היכולות הנ"ל יודגמו באמצעות מבחר דוגמאות בפיזיולוגיה של הצמח (מערכת צמחים/שורשים/קרקע עשבונית) וביישומים ביו-רפואיים (חולדה, עצם הירך וריאה של עכבר).

Introduction

עקרון רדיוגרפיית הנייטרונים (nR) מבוסס על החלשת נייטרונים דרך החומר שהם חוצים. בניגוד לקרני רנטגן המפוזרות על ידי ענן אלקטרונים של אטום, נייטרונים יכולים להיבלע או להתפזר בגרעין שלו. נייטרונים רגישים ליסודות קלים, כגון מימן (H), ולכן יכולים לשמש לצילומי רנטגן של יישומים ביולוגיים כגון בעלי חיים 1,2,3,4,5,6,7 או רקמות אנושיות 8,9 ומערכות קרקע/שורשים מתחת לפני הקרקע 10,11,12,13,14 ,15. דימות נייטרונים הוא טכניקה משלימה לדימות רנטגן, המסוגל לזהות יסודות כבדים16,17,18. nR מבוסס הנחתה נשלט על ידי מקדמי הנחתה ליניאריים של החומרים בתוך הדגימה ועל ידי עובי הדגימה, כפי שמתואר בחוק באר-למברט, הקובע כי הקרן המועברת עומדת ביחס ישר לכמות החומר ואורך הנתיב דרך החומר. לפיכך, ניתן לחשב את ההעברה, T, כ:

Equation 1(1)

כאשר I0 ואני , בהתאמה, האירוע ועוצמות הקרן המשודרת; μ ו - x הם מקדם ההנחתה הליניארי ועובי המדגם ההומוגני, בהתאמה. מקדם ההנחתה μ ניתן על ידי:

Equation 2(2)

כאשר σ הוא חתך הנחתת הנייטרונים של הדגימה (הן פיזור והן בליעה), ρ הוא צפיפותה, NA הוא המספר של אבוגדרו, ו-M הוא המסה המולרית שלו.

הניגודיות ברדיוגרפיה של דגימות ביולוגיות המשתמשות בנייטרונים בעלי אנרגיה נמוכה (כלומר, אנרגיות מתחת ל-0.5 eV) נובעת בעיקר משינוי בצפיפות H (עבור עובי מדגם קבוע). זאת בשל ההסתברות לאינטראקציה של נייטרון עם גרעין H, שהיא גדולה יותר מאשר עם גרעינים אחרים הנמצאים בדגימות ביולוגיות, והעובדה כי צפיפות אטום H היא בעלת חשיבות עליונה מכיוון שהוא האטום הנפוץ ביותר בדגימות ביולוגיות.

מאז השלבים המוקדמים שלה, nR וטומוגרפיה ממוחשבת נויטרונים (nCT) שימשו באופן נרחב עבור חומרים ויישומים הנדסיים 19,20,21,22,23. ניסויי ההדגמה הראשונים של רגישות נייטרונים ל-H בדגימות ביולוגיות החלו באמצע שנות ה-50 שלהמאה ה-24 עם מדידות של דגימות צמחים. העבודה נמשכה לאורך שנות השישים עם, למשל, רדיוגרפיה של חזה אנושי25 או חולדות26, שבו נחקר השימוש בחומרי ניגוד, כגון תחמוצת גדוליניום (Gd2O3). יתר על כן, הועלתה השערה כי הניגוד ברקמת גידול אנושית לעומת רקמה רגילה נבע מעלייה מקומית בתכולת H. במהלך ניסויים ראשוניים אלה, הגיע למסקנה כי שטף נייטרונים מוגבר ורזולוציה מרחבית ישפרו את איכות nR וככל הנראה יגבירו את הפופולריות שלו כטכניקה משלימה ליישומים תעשייתיים או ביו-רפואיים. המחקרים האחרונים כוללים מדידות nR ו-nCT שבוצעו על דגימות רקמה סרטנית1 ומקטעים של איברי בעלי חיים 2,3,27 עבור יישומים ביו-רפואיים ופורנזיים.

ממוקם במעבדה הלאומית אוק רידג ', אוק רידג ', טנסי, כור איזוטופ שטף גבוה (HFIR) הוא מקור נייטרונים רב עוצמה המייצר נייטרונים על ידי תגובת ביקוע. לנייטרונים אלה יש אנרגיות בסדר גודל של 2 MeV והם "מקוררים" בבריכת הכור על ידי תגובות קינטיות עם מים כבדים כדי להגיע לאנרגיות בסדר גודל של 100-300 eV. האופטימיזציה של ניסוי נייטרונים, בין אם פיזור או הדמיה, מתחילה בהבנת מקור הנייטרונים ותכונות קו האלומה כגון עוצמת הקרן שלו, פיזור האנרגיה והשפעת הרקע (נייטרונים מהירים, נייטרונים מושהים, קרני גמא). באולם ההדרכה הקר HFIR שבו ממוקמת אלומת ההדמיה, נייטרונים "מקוררים" עוד יותר על ידי אינטראקציות קינטיות עם מנחה H נוזלי. לאחר מכן הם מועברים במערכת מנחה מעוקלת הרחק מקו הראייה של המקור, ובכך מבטלים נייטרונים מהירים וזיהום גמא. כפי שמודגם באיור 1, אלומת דימות נייטרונים CG-1D28,29 ממוקמת על מדריך קר, מה שמרמז על כך שטווח אנרגיית הנייטרונים משתנה בין meV בודדים לכמה עשרות eV (במקרה זה, אורך גל הנייטרונים השמיש המתאים נע בין 0.8 ל-10 Å) עם שטף בטווח של 107 n/(cm2∙s) במיקום המדגם. מערכת צמצם/דיפיוזר ממונעת מגדירה את גיאומטריית חור הסיכה של מכשיר ההדמיה. נייטרונים נעים מרחק של 6.59 מטרים בצינור טיסה מלא הליום (He) עם חלונות אלומיניום (Al) בכל קצה. צינורות טיסה משמשים להובלת נייטרונים תוך הגבלת פיזור האוויר כך שהאובדן בעוצמת הקרן הוא מינימלי. עבור המדידות המתוארות בכתב יד זה, הדיפיוזר עשוי מננו-אבקה בעובי 1 מ"מ 50 ננומטר (Al2O3) עטופה במיכל אל. המפזר מפחית את תוצרי הקרן המגיעים ממדריך הנייטרונים (המוגדלים על ידי גיאומטריית חור הסיכה של קרן הדמיה), אחרת ניתן לראות תנודות חדות בעוצמה אופקית ואנכית בצילום הרנטגן והנורמליזציה של הנתונים הופכת למאתגרת.   עבור הניסויים המודגמים כאן, נייטרונים מומרים לאור באמצעות ליתיום-6 פלואוריד/אבץ סולפיד זרחן בעובי 25 מיקרומטר (6LiF/ZnS:Ag).

מיטוב ההתנגשות תלוי במיקום הדגימה לגלאי, ברזולוציה המרחבית הנדרשת ובזמן הרכישה. כאשר הדגימה יושבת במרחק של כמה סנטימטרים מהנצנצים, התנגשויות גבוהות (L/D מעל 800, כאשר L הוא המרחק מפתח הצמצם של חור הסיכה בקוטר, D והגלאי) מניבות רזולוציה מרחבית טובה יותר במחיר שטף נייטרונים. התנגשות נמוכה (L/D מתחת ל-800) עדיפה למחקרים דינמיים באתרם כאשר רזולוציית הזמן גוברת על הרזולוציה המרחבית. עבור המדידות המתוארות בכתב יד זה, L/D ורזולוציה מרחבית היו בערך 355 ו 75 מיקרומטר, בהתאמה. הרזולוציה הטמפורלית השתנתה בהתאם ליחס אות לרעש (SNR). הדגימה מוקמה קרוב ככל האפשר למנצנץ כדי להפחית עיוותים גיאומטריים כגון טשטוש. שלבי תרגום וסיבוב זמינים כדי להגדיר את הדגימה קרוב לגלאים ולבצע טומוגרפיה ממוחשבת (CT). CG-1D מציע שלושה סוגים של גלאים: התקן מצומד טעינה (CCD) עם 2048 פיקסלים x 2048 פיקסלים עם גובה פיקסלים של 13.5 מיקרומטר, גלאי מוליכים למחצה משלימים מדעיים של תחמוצת מתכת (sCMOS) עם 2560 פיקסלים x 2160 פיקסלים עם גובה פיקסלים של 6.5μm, וגלאי צלחת מיקרו-ערוץ (MCP)30,31 עם 512 פיקסלים x 512 פיקסלים עם גודל פיקסל של 55μm. נייטרונים מפוזרים נספגים בגומי בור בעובי ~5 מ"מ כדי להגן על שבב הגלאי מפני ראיית נייטרונים. ספיגה זו יוצרת קרני גמא שניתן לעצור על ידי עופרת (Pb) הממוקמת בין גומי הבור לבין הגלאי. כל גלאי מותאם לשדה ראייה שונה (FOV) וכן לרזולוציות מרחביות וזמן. עבור מדידות עצם הירך של החולדה וריאות העכבר, גלאי CCD נוצל בשל יכולת ה-FOV הגדולה שלו (~ 7 ס"מ x 7 ס"מ) ורזולוציה מרחבית סבירה של כ-75μm. nCT של מערכת שורש / קרקע הצמח בוצע עם sCMOS, שכן המטרה הייתה לרכוש nCTs מהר ככל האפשר במחיר של FOV (אשר היה מוגבל ~ 5 ס"מ x 4.2 ס"מ); לפיכך, הרזולוציה המרחבית כנראה נפגעה. בגלאים אלה, נייטרונים מומרים לאור או לחלקיק אלפא למטרות גילוי. סיבוב הדגימה סביב הציר האנכי שלה וקבלת צילומי רנטגן בזוויות סיבוב עוקבות מאפשר רכישת nCT. המודל התלת-ממדי של הדגימה הנחקרת מתקבל על ידי שימוש במחשב נייד מבוסס פיתון iMARS3D Jupyter filtered-back-projection (FBP), pyMBIR או תוכנה מסחרית, כולם מתוארים להלן.

לבסוף, נייטרונים שלא קיימו אינטראקציה עם הדגימה או עם הגלאי נאספים במצב עצירת קרן במרחק של כ-1 מ' במורד הזרם ממערכת הגלאים כדי למזער רעשי רקע. מעצור הקרן CG-1D הוא ברוחב 0.75 מ', בגובה 0.5 מ' ובעובי 35 מ"מ ועשוי אפוקסי B4C. מעצור הקרן מחוזק ב-10 מ"מ של ליתיום קרבונט מועשר 95% (6 Li2CO3) באפוקסי עמיד באש שבו פוגעת קרן הניטרונים, עם חלל מרופד ב-6Li, עופרת (Pb) ופלדה שתוכננו להכיל את הקצב הגבוה של קרני גמא משניות. מעצור הקורה מחובר ישירות לקיר מיגון הפלדה של קו הקורה. תצלום של אלומת CG-1D מוצג באיור 2.

שלוש תוכנות שחזור שימשו לשחזור שלושת נתוני הניסוי בתלת-ממד, בהתאמה. שחזור דגימת הריאה של העכבר בוצע באמצעות Octopus32, תוכנת שחזור מסחרית המשתמשת ב-FBP. תוכנת תמנון יושבת על מחשב שרת וניתן להשתמש בה כדי לשחזר נתונים שנאספו בקו האלומה. תוכנת שחזור, בשם iMARS3D, זמינה ב-CG-1D. הוא מבוסס על קוד הקוד הפתוח TomoPY33 עם תכונות נוספות כגון תיקון הטיה אוטומטי, מסננים לאחר עיבוד וכו '. iMARS3D כולל עיבוד מראש של הנתונים (חיסור הרקע והרעש), חיתוך, סינון חציוני (לתיקון מכות גמא ופיקסלים מתים), תיקון תנודות אוטומטי בעוצמת הקרן ותיקון הטיית דגימה. לאחר יצירת סינוגרמות, עיבוד נתונים נוסף כגון הסרת טבעת והחלקה הם אופציה. השלבים השונים של השחזור נשמרים בשרת הניתוח (ולאחר מכן מועברים בתיקייה המשותפת של ההצעה), ואילו הפרוסות הדו-ממדיות הסופיות מאוחסנות מיד בתיקייה המשותפת של ההצעה. עצם הירך של החולדה שוחזרה באמצעות iMARS3D. דגימת שורש / קרקע הצמח עובדה מראש על ידי סינון חציוני של הנתונים באמצעות TomoPY ואחריו תיקון ציר הטיה באמצעות ספריית SciPy של Python.  השחזור בוצע באמצעות חבילת פיתון שפותחה בתוך החברה ונקראת - pyMBIR (שנבנתה באמצעות גרעינים מארגז הכלים ASTRA34) המיישמת חבילה של אלגוריתמים טומוגרפיים מה-FBP הבסיסי ועד טכניקות שחזור איטרטיביות מתקדמות מבוססות מודל35 שיכולות לקבל שחזורים באיכות גבוהה ממערכי נתונים נייטרונים דלילים ורועשים במיוחד. כל הכרכים המעובדים המבוססים על כלי השחזור הנ"ל מיוצגים בניגודיות הנחתה. כל ההדמיות בוצעו באמצעות חבילת התוכנה להדמיה מסחרית, סגמנטציה וניתוח נתונים AMIRA36.

כתב יד זה נועד להדגים את הליך השימוש בדימות נייטרונים (nR ו-nCT) בקו הקרן HFIR CG-1D. מחקר זה גם ממחיש את יכולות ה-nR וה-nCT המתקדמות כיום עבור דגימות ביולוגיות, במיוחד ריאה של עכבר, עצם חולדה ומערכות שורש/קרקע של צמחים. ריאה של עכבר נבחרה כדי להמחיש את המשלימות של נייטרונים למדידת רקמת הריאה, בעוד שצילומי רנטגן רגישים בעיקר לעצמות. בדגימת העצם, עצם הירך של חולדה, היה שתל טיטניום (Ti), ובכך המחיש את הניגוד בין העצם למתכת, ואת ההזדמנות לראות את ממשק העצם/מתכת (שקשה למדוד בקרני רנטגן מכיוון שמתכות מחלישות אותןבחוזקה 4). לבסוף, מערכת המים של שורש הצמח מדגימה את היכולת התלת-ממדית (3D) של nCT למדוד מערכות שורש/קרקע באתרן. זה גם מראה את היתרונות / חסרונות של שימוש nR עבור דגימות ביולוגיות. ככל הנראה, שיטה זו יכולה לשמש בבטחה למדידת דינמיקת מים במערכת שורשי הצמח, אך אינה יכולה להיחשב כטכניקת הדמיה חיה או אנושית בשל הסיכונים הכרוכים בחשיפה לקרינה, ובכך להגביל את המחקרים לעכברים (מתים) או למדידות דמויות פתולוגיה שבהן, למשל, דגימת רקמה נלקחת ממטופל (חיה או אדם) ומוכנה על ידי קיבוע לפני שהיא נמדדת בקרן נויטרונים.

Protocol

1. הגדרת המכשיר (ראה איור 3, סעיף 3)

  1. במחשב beamline, פתח חלון מסוף, הקלד css ולאחר מכן הקש Enter כדי להפעיל את ממשק המשתמש.
  2. אם האפשרות אינה נפתחת כברירת מחדל, בחר באפשרות דף הבית של המשתמש בכרטיסיה תפריט כדי לפתוח את ממשק ההדמיה של מערכת ההדמיה של פיזיקה ניסויית ומערכת בקרה תעשייתית (EPICS).
  3. באמצעות הכרטיסייה הראשונה (הנקראת Proposal/Camera/SE Device) של הממשק, בחר את אופטיקת קו האלומה על ידי לחיצה על כפתור האופטיקה לצד מצלמה/גלאים, כלומר גודל פתח חור הסיכה ופתיחת מערכת החריץ על ידי לחיצה על כפתור Slits .
  4. הברג את שלב הסיבוב לשלבי XY, שבהם יש למקם את הדגימה, ומקם את הגלאי (sCMOS או CCD).
    1. עבור CCD או גלאי sCMOS, בחר את העדשה עם ההגדלה המספקת את הרזולוציה המרחבית הרצויה ואת אורך המוקד, בהתייעצות עם צוות המכשיר. באמצעות האור תחילה, מקד את המצלמה על ידי הזזת הגלאי קרוב יותר או רחוק יותר מהמראה, או על ידי כוונון ידני של העדשה במיקום גלאי קבוע. מקדו את התמונה במיקום של נצנץ הנייטרונים.
    2. עבור CCD או גלאי sCMOS, כוונן את מיקוד העדשה עם נייטרונים באמצעות מסכת רזולוציה בולעת נייטרונים37 הממוקמת כנגד נצנוץ הגלאי. אסוף צילומי רנטגן עוקבים באמצעות הגדרות שונות (כלומר, מיקומי גלאים שונים מהמראה אוטומטית על ידי הזזת מנוע הגלאי ב- EPICS).
    3. השווה צילומי רנטגן על-ידי הערכת זוגות קווים ב- ImageJ/Fiji39 או בכלי תוכנת תמונה דומה.
  5. במידת הצורך, אבטחו את הדגימה במיכל מתאים (מיכל אל ו/או רדיד Al כבד), והניחו את הדגימה על שלב הסיבוב קרוב ככל האפשר לגלאי. הגן על הגלאי והציוד באמצעות מיגון נויטרונים (גומי בור) וגמא (לבני Pb).
  6. מדוד את מרחק הדגימה לגלאי והסר את הדגימה. החלף אותה במסיכת הרזולוציה כדי להעריך את גודל הפיקסלים במיקום הדגימה בתצורת אלומה זו. באמצעות ממד תכונה ידוע, הערך את מספר הפיקסלים בתכונה כדי לקבוע את גודל הפיקסלים.
  7. מקם מחדש את הדגימה בשלב הסיבוב.
  8. באמצעות ממשק EPICS והכרטיסייה Align Sample , יישר את הדגימה עם קרן הנייטרונים על ידי לקיחת צילומי רנטגן מהירים רצופים (ms עד 1 s) בזמן שהדגימה נעה עד שהיא נמצאת בתצוגה מלאה של הגלאי. שמור את קובץ היישור לדוגמה כקובץ .csv, שייעשה בו שימוש חוזר לפני תחילת סריקת ה- CT.
  9. לפני תחילת סריקת ה- CT, השתמש באפשרות בדיקת יישור CT אוטומטית (בכרטיסיה יישור ) כדי לוודא שהדגימה נשארת בשדה הראייה בזוויות שונות על-ידי הערכת צילומי רנטגן כפי שהם נוצרים בכיווני דגימה שונים עם הקרן.

2. הכנת דגימות ואסטרטגיית רכישת נתונים

הערה: פרוטוקולי דגימות בעלי החיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת טנסי עבור ריאות העכבר והוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של המרכז הרפואי של אוניברסיטת ראש עבור עצם הירך של חולדה.

  1. עצם הירך של חולדה
    1. השתילו מוטות Ti6Al4V (קוטר 1.5 מ"מ ואורך 15 מ"מ) לתוך עצם הירך של חולדות ספראג-דולי זכרים, והציבו אותם בתוך החלל התוך-מדולרי דרך קונדילות הירך הדיסטליות.
    2. להקריב את החולדות לאחר 12 שבועות, ולקצור את עצם הירך. הסר את כל הרקמה הרכה (התורמת להנחתת נייטרונים), והקפיא את עצם הירך עם שתלים בגזה ספוגה במי מלח. יש לטבול לחלוטין ספוגי גזה בריבוע בקוטר 2 אינץ' במי מלח חוצצי פוספט (PBS), ולעטוף כל דגימה במלואה בספוגים ספוגים אלה (ראו טבלת חומרים).
    3. הפשירו את עצם הירך לטמפרטורת החדר עבור סריקות microCT מבוססות קרני רנטגן38, לפני העברתן במצב קפוא ל-HFIR.
      1. לפני nCT, הפשיר מחדש את הדגימה והביא אותה לטמפרטורת החדר במעבדת HFIR Biohazard Safety Level 2 (BSL2) הממוקמת בסמוך לקו אלומת הדימות של נייטרונים CG-1D. ברגע שמגיעים לטמפרטורת החדר, עוטפים את הדגימה ברדיד Al כבד ומניחים אותה בגליל Al .
      2. מקם את הגליל אנכית על שלב הסיבוב בקו הקורה, וסרוק את עצם הירך בקו הקרן בטמפרטורת החדר בין 0 ל-360°, עם זווית דריכה של 0.25°. לרכוש כל רדיוגרף במשך 50 שניות.
        הערה: בהתחשב בזמן המת לתנועת שלב הסיבוב והעברת כל רדיוגרף מה-CCD למחשב איסוף הנתונים, הזמן הכולל של הסריקה היה כ-24 שעות.
    4. לאחר השלמת ה-nCT ואישור הוצאת הדגימה מקו הקרן, החזירו את הדגימה למעבדת BSL2, הסירו את ההכלה והקפיאו מחדש את הדגימה כדי לשמר אותה למדידות ניסיוניות נוספות.
  2. ריאות עכבר
    1. כריתת רקמת ריאה מעכבר מת המשמש לניסויים שאינם קשורים למחקר זה. קבע את הדגימה בתמיסה של 70% אתנול לפני ניסויי הנייטרונים.
    2. עטפו את הרקמה ברדיד Al כבד והעבירו אותה ממעבדת BSL2 ישירות לקו הקרן CG-1D. הכנס את הדגימה לגליל Al להכלה כפולה וכדי לשמור על מיקום הדגימה בקרן במהלך סריקת nCT.
    3. מקמו את הדגימה קרוב ל-CCD, ובצעו את הסריקה במשך הלילה בטמפרטורת החדר.
      הערה: כל רדיוגרף היה 150 שניות, וזווית דריכת הסיבוב הייתה 0.5°, מ-0 עד 182°. הזמן הכולל לסריקה היה בסביבות 16 שעות.
  3. שורש צמח עשבוני / מערכת קרקע
    הערה: בדומה לדגימות ביולוגיות אחרות, מערכות צמחים-קרקע מוגבלות בגודלן בשל ההיחלשות החזקה של מימן, במיוחד מים בקרקע או בשורשי הצמח. ניתן לשתול זרעים או רמטים במיכלים (אל או קוורץ - שניהם בעלי חתכי הנחתת נייטרונים נמוכים), או שניתן להשתיל צמח בוגר יותר במיכל.
    1. חפרו בזהירות ושתלו עשב מקומי הגדל במקום (כאן, עשב תות (Fatoua villosa (Thunb.) נקאי) לתוך מיכל Al בחתך רוחב של 2.38 ס"מ x 2.58 ס"מ, גובה 6.3 ס"מ, עובי דופן של 0.055 ס"מ, ומכיל חול טהור (SiO2).
    2. שטפו את שורשי הצמח במים נטולי יונים, והציגו אותם בזהירות בתוך מיכל Al תוך מילוי המיכל בתרחיף של חול רטוב.
      הערה: בעת מילוי מיכלים באדמה, חשוב להשתמש באדמה רטובה, שכן אדמה יבשה תיפרד לפי גודל החלקיקים ותיצור ממצאים מרקמייםבמיכלים 12,13.
    3. לאחר השתילה, מדדו את המשקל הרווי של מערכת הצמח, ושקלו את מערכת הצמחים מדי יום כדי להעריך את קצב השימוש במים. יש למרוח מים על פני השטח העליונים של הקרקע או דרך יציאה או חור בתחתית המיכל באמצעות צינור או מזרק.
      הערה: כאן, מערכת הצמחים הונחה על מאזניים, ומים נמרחו על החלק העליון בכל יום כדי להחליף את השימוש היומי במים על בסיס משקל. ניתן למנוע מים לפני ההדמיה כדי להפחית את תכולת מי הקרקע ולשפר את הניגודיות בשורשים.
    4. להפיץ את מערכת הצמח בתא גידול באתר עם טמפרטורה מבוקרת ואור12. יש לתחזק את מערכת הצמח במשך שבוע לפני ההדמיה כדי לאפשר אקלום שורשי הצמח למיכל אל.
      הערה: לאחר תחילת ההדמיה, אין להשקות את הצמח.
    5. בצע את סריקות ה- nCT ב~1.75 שעות כל אחת, וסרוק ברציפות במשך תקופה של 2.5 ימים כדי למפות שינויים תלת-ממדיים דינמיים בתכולת הקרקע ומי הצמח. עבור מדידות אלה, להקטין את הרזולוציה המרחבית לכמה מאות מיקרומטר לטובת רזולוציית זמן (כלומר, זמן רכישה מהיר יותר עבור כל הטלה).
      הערה: כל סריקת CT בוצעה עם זווית סיבוב של 0.93° וזמן רכישה של 10 שניות לכל הקרנה. לצורך כתב יד זה מוצגת רק בדיקת ה-CT הראשונה.

3. רכישת נתונים

הערה: מערכת איסוף הנתונים ב-CG-1D משתמשת בתוכנת EPICS40. EPICS פותחה כדי להנחות את פרוטוקול הניסוי ולמזער טעויות אנוש; ממשק זה עובר באופן הגיוני את השלבים השונים הדרושים לפני מדידת דגימה, כפי שמודגם באיור 3.  פרוטוקול רכישת הנתונים של EPICS הוא כדלקמן (איור 3). החלק השמאלי מספק סטטוס של הניסוי המתמשך, יחד עם מיקומים מוטוריים ופרטי ניסוי (מידע מדגם, מספר הצעה וחברי צוות). כל ניסוי משויך למספר הצעה, ולמדגם אחד או יותר. מידע על הצעה, כגון חברי צוות ושם דוגמה נבחר, זמין גם בצד ימין (הכרטיסייה הראשונה בשם "התקן הצעה/מצלמה/סביבת דגימה"). החלק המרכזי כלל את הרדיוגרף הנוכחי עם סרגל קנה מידה דינמי של טווח בצד, יחד עם נתוני סטטוס ויומן מתחת לתמונה.

  1. בחר את כרטיסיית EPICS הראשונה שכותרתה הצעה/מצלמה/התקן SE. לחץ על הלחצן Switch Proposal או Sample (לדוגמה). בחר את מספר הפרויקט ואת מזהה הדגימה # שיימדדו ברשימת ההצעות (משמאל) והמדגם (מימין) שהחליפו את הכרטיסיה הקודמת.
  2. השתמש בחץ אחורה כדי לחזור לממשק הראשי של EPICS. בחר את הגלאי לשימוש (sCMOS או CCD) על-ידי בחירת אחד מארבעת הגלאים הזמינים (Andor CCD, Andor sCMOS, SBIG CCD או MCP) ברשימת האפשרויות מצלמה/גלאי .
    הערה: SBIG CCD משמש לבדיקה על ידי המכשיר וניתן להתעלם ממנו עבור כתב היד הנוכחי.
  3. בחר את שלב הסיבוב שישמש במקטע התקן סביבת דגימה .
    1. ראשית, לחץ על שלב סיבוב (סריקת CT) ברשימה התקן סביבת דגימה . לאחר מכן, בחר אחד משלבי הסיבוב (המתאים למדגם לסריקה).
  4. לבסוף, בחלק התחתון של הכרטיסייה, בחר את מצב רכישת נתונים. במקרה זה, בחר באפשרות הראשונה, קרן לבנה.
    הערה: אופן הרכישה הוא קרן לבנה (לוקחת את כל טווח אורך גל הנייטרונים) או מונוכרומטית בקו האלומה CG-1D.
  5. בחר בכרטיסיה השניה של EPICS שכותרתה Align Sample. הקלד שם קובץ לדוגמה והקש Enter. חזור על התהליך עבור שם תיקיית המשנה.
    הערה: ממשק EPICS מתוכנת לשמור נתונים באופן אוטומטי בספריות הניסוי המתאימות, שבהן משתמשת תוכנת השחזור הפנימית כדי לייצר פרוסות דו-ממדיות (דו-ממדיות) של האובייקט התלת-ממדי הנחקר. הכרטיסייה השנייה, Align Sample, מאפשרת יישור הדגימה באמצעות צילומי רנטגן בני מספר שניות בלבד מכיוון שצילומי רנטגן אלה אינם משמשים מאוחר יותר לעיבוד וניתוח נתונים. לאחר שכל המנועים ממוקמים כראוי, ניתן לשמור את מיקומם בפורמט קובץ .csv; לכן, לכל יישור דגימה יש את קובץ .csv המתאים שניתן לקרוא לו בחזרה כדי למקם את הדגימות לסריקות CT במועד מאוחר יותר.
  6. דלג על היישור של שלושת המנועים, כלומר, נניח שהדגימה מיושרת ומוכנה ל- CT. בחר זמן רכישה רצוי, ולחץ על כפתור צלם תמונות מהירות . אסוף סדרה של צילומי רנטגן עם זמני רכישה שונים כדי להעריך SNR.
  7. פתח את ImageJ/פיג'י; גרור ושחרר את צילומי הרנטגן השונים. התוויית פרופיל העובר מהמדגם לשטח פתוח; להעריך SNR.
  8. אם הוגדרו דוגמאות מרובות בשלב XY (שלבי סיבוב מרובים, כל אחד עבור מדגם אחד), רשום כל מיקום דגימה לאחר היישור, ושמור את הנתונים כקובץ .cvs על-ידי לחיצה על הלחצן שמור בקובץ .
  9. בחר בכרטיסיית EPICS השלישית שכותרתה איסוף נתונים כדי להגדיר את פרמטרי סריקת ה- CT. הקלד שם קובץ בשורה הראשונה הניתנת לצריבה והקש Enter. חזור על הפעולה עבור שם תיקיית המשנה.
    הערה: הפריסה של הכרטיסיה איסוף נתונים תלויה בבחירה של סדרה של צילומי רנטגן שחלף זמן (ללא SE) או סריקות CT (בחירת שלב סיבוב) בכרטיסיה הראשונה.
  10. במקטע יישור דגימה באמצעות הקובץ שנשמר, בחר בקובץ שהקליט בעבר את מיקומי המוטוריקה לדוגמה (שלב 1.8). השתמש בקבצים שנשמרו לאחרונה כדי לעיין בקובצי היישור לדוגמה שנשמרו לאחרונה . לחץ על Align Using File כדי לגרום לדגימה לחזור למקומה בקרן הנייטרונים.
  11. חשב את מספר התחזיות הדרושות עבור CT בהתבסס על משפט הדגימה של Nyquist. חשב את מספר הפיקסלים על פני הממד האופקי של הדגימה, והכפל ב- 1.5 כדי לקבל את מספר התחזיות הדרושות למילוי הדגימה של Nyquist.
  12. הזינו את זווית התחלת הסיבוב (בדרך כלל 0°), זווית סוף הסיבוב (בדרך כלל 180°), גודל שלב הסיבוב, מספר התמונות לכל צעד (בדרך כלל מוגדר על 1) וזמן החשיפה של כל תמונה. התחל את סריקת ה- CT על ידי לחיצה על אסוף נתונים לחצן.

4. שחזור נפח ועיבוד/ניתוח נתונים

הערה: כל כלי תוכנת CG-1D לנורמליזציה, שחזור וניתוח נתונים זמינים במאגר Python של מתקן בז"ן ובשרתי הניתוח של המתקן. למדידות דו-ממדיות, ניתן לבצע עיבוד מקדים באמצעות מחברות Jupyter Python41. איור של מחברת זמין באיור 4. ניתן לטעון ולהציג תצוגה מקדימה של הנתונים שלהם לפני בחירת אזור עניין מחוץ למדגם המשמש לנרמל לשידור 1 (או 100%) כל תנודת אלומה. ניתן להתאים מחשבים ניידים אלה לכל מדידה, מה שהופך את העיבוד מראש למאמץ פשוט. יתר על כן, ניתוח דו-ממדי יכול להתבצע באותה מחברת כגון מעקב אחר שינויים קינטיים (כלומר ספיגת מים בדגימה) בדגימה לאורך זמן.

  1. היכנס לשרת ניתוח Linux באמצעות שם המשתמש והסיסמה. פתח את דפדפן האינטרנט והקלד jupyter.sns.gov.
  2. פתח את מחברת Python Jupyter בשם iMARS3D. הפעל את השורות הראשונות של הקוד (אשר טוען את הכלים הדרושים להפעלת iMARS3D). טען נתונים, שדה שטוח ושדה כהה. ודא שכל שלוש ערכות הנתונים נטענות כראוי.
  3. המשך בחיתוך הנתונים, סינון (לפי הצורך), נורמליזציה (עם תיקון הטיית מדגם אוטומטי) ושחזור נפחי (תהליך ארוך). שמור את הנתונים בתיקיית מספר הפרוייקט בשם משותף. לאחר הפעלת AMIRA36, הזמין גם בשרתי ניתוח המתקן, טען את הפרוסות המשוחזרות בתוכנה, והמשך בהדמיה, סינון נוסף וניתוח.

Representative Results

איור 5A הוא תצלום של עצם הירך של חולדה ייצוגית בגודל דומה לזה שנמדד; איור 5B,C מייצג את nCT של עצם הירך של חולדה עם שתל Ti. איור 5B מראה את nCT מבוסס הנחתת צבע מזויף של עצם הירך, בעוד איור 5C מייצג חתך אלכסוני דרך העצם באותו כיוון כמו באיור 5B כדי לחשוף את שתל Ti (בסקאלה אפורה) הדומה ל-CT רפואי בצילום רנטגן. שתל זה אינו מתקשר עם נייטרונים באותה מידה כמו חומר העצם; לפיכך, ההנחתה שלו היא מינימלית, והוא נראה כהה יותר (כלומר, פחות מוחלש) מהעצם שמסביב. עצם טרבקולרית, שנמצאת בתוך החלל המדולרי של עצם הירך, נראית בבירור בקצה הפרוקסימלי של הדגימה (חיצים אדומים באיור 5B).

איור 6A,B מציג תצלומים מייצגים של ריאה של עכבר הקבוע באתנול, בשני מיקומים שונים, המשמשים עבור nCT כדי להדגים את יכולתם של נייטרונים לזהות דגימות של רקמות רכות. הנפח המשוחזר של ריאת העכבר שהתקבל מ-nCT מוצג באיור 6C,D, הממוקם באופן דומה לאיור 6A,B. חתך באונה הימנית של הריאה מתואר באיור 6E. למרות גודלה הקטן יחסית של הדגימה, רגישות הנייטרונים מודגמת בבירור על ידי זיהוי מבנה הריאה ברזולוציה מרחבית ~75 מיקרומטר. כצפוי, טווח ההנחתה רחב למדי, כאשר חלק גדול מתאים להיחלשות נייטרונים נמוכה עד בינונית מכיוון שלריאות יש מבנה דמוי ספוג המכיל אוויר.

איור 7A מציג תצלום של דגימת הצמח, ואילו איור 7B מייצג את העיבוד הנפחי הכוזב של שורש הצמח/מערכת הקרקע במיכל Al מלבני (שאינו נראה לעין מכיוון ש-Al שקוף ברובו לנייטרונים). בהשוואה למערכי הנתונים הקודמים, SNR גרוע יותר, כצפוי, מכיוון שהנתונים הושגו מהר יותר כדי לעקוב אחר התנועות הדינמיות של ספיגת מים בשורש בתלת-ממד במשך 2.5 ימים. לפיכך, כל סריקת CT הותאמה למדידה בחלון ~ 1.75 שעות. למרות SNR גרוע, מערכת השורשים באדמה נראית בבירור בחתכים האנכיים של הדגימה המוצגים באיור 7C,D בצבע כוזב.

Figure 1
איור 1: שרטוט סכמטי של אלומת הדמיה של נייטרונים HFIR CG-1D. קרן ההדמיה מוגדרת על ידי מערכת הצמצם המגדירה גיאומטריית קרן חרוט. הקרן מועברת דרך צינור טיסה מלא He, עם מגרדי קרן כדי להסיר נייטרונים תועים לא רצויים. תוחם גומי בתוך צינור הטיסה מקטין את הרקע מהקורות השכנות. קיצורים: HFIR = כור איזוטופ שטף גבוה; הוא = הליום; L = מרחק מפתח הצמצם של חור הסיכה בקוטר, D, ומהגלאי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מתקן הדמיה של נייטרונים CG-1D בכור האיזוטופים של השטף הגבוה. בתצלום ניתן לראות, מימין לשמאל, את צינורות הטיסה, אזור הדגימה ועצירת הקרן. קרן הנייטרונים מגיעה מצדו הימני של התצלום. צינור הטיסה נחתם על ידי קהילות המחקר המדעיות והתעשייתיות המשתמשות במכשיר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: ממשק EPICS. ממשק CG-1D EPICS מחולק לשלושה חלקים: מקטע המצב (משמאל), אזור התצוגה (בדוגמה זו, רדיוגרף גולמי של שעון שמש ימי מפליז), וקלט הפרמטר להדמיית דו-ממד ותלת-ממד. קיצורים: EPICS = פיזיקה ניסויית ומערכת בקרה תעשייתית; 2D = דו מימדי; תלת מימד = תלת מימד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: צילום מסך של מחברת Jupyter. מחברת זו משמשת לתצוגה מקדימה של קבוצת צילומי רנטגן לפני נרמול שלהם. בדוגמה זו, אותו שעון שמש ימי מפליז שמוצג באיור 3 מוצג בדמיון . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: עצם הירך של חולדה עם שתל טיטניום. (A) תצלום של עצם הירך של חולדה מייצגת. (B) נפח תלת-ממדי של עצם הירך של חולדה שהתקבל מ-nCT. (C) פרוסה אלכסונית המציגה את מוט הטיטניום בתוך עצם הירך. חיצים אדומים מראים את עצם הטרבקולר. פסי קנה המידה מוצגים על ידי צירי x ו- y, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: nCT ריאות עכבר. (A) ו-(B) תצלומים מייצגים של ריאה של עכבר. (C) ו- (D) נפח תלת-ממדי מבוסס הנחתה של עכבר המעובד באמצעות אותו מיקום כמו (A) ו- (B). (E) פרוסה מייצגת דרך האונה הימנית של ריאת העכבר (D) המראה מבנה של ריאה המתקבל עם שיפוע שונה של הנחתת נייטרונים (לרוב הנחתה נמוכה). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: טומוגרפיה ממוחשבת של נייטרונים ופרוסות דרך מערכת שורש הצמח/אדמה . (A) צילום דגימת צמחים. (B) נפח מעובד תלת-ממדי מטומוגרפיה ממוחשבת של נייטרונים של הצמח המראה את הגבעול מעל הקרקע, ואת מערכת הקרקע עם מים (באדום). (C) ו-(D) נחתכים דרך הדגימה בזווית כדי להראות את הגבעול והשורשים באדמה (חיצים אדומים). אזורים כחולים כהים יותר בקרקע מצביעים על נוכחות של מים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

רדיוגרפיה של נייטרונים ו-CT של דגימות ביולוגיות הן טכניקות הדמיה מבטיחות המשלימות את דימות קרני הרנטגן או דימות תהודה מגנטית. השלבים הקריטיים בביצוע ניסוי הדמיה של דגימה ביולוגית קשורים להכנתה ולבלימתה בקו האלומה. אופטימיזציה של ניסוי מונעת על ידי השאלה המדעית שיש לענות עליה. אם השאלה המדעית דורשת רזולוציה מרחבית גבוהה כדי לצפות בתופעה, אז נדרשים זמני רכישה ארוכים, והחיסרון של nCT (עם שדה ראייה בגודל ס"מ) הוא שלוקח שעות לבצע סריקה. זה נובע בעיקר מההבדל בשטף הנייטרונים הכולל הזמין בכור בהשוואה למקור סינכרוטרון, שבו סריקות CT רנטגן יכולות להימשך שניות עד דקות עבור שדה ראייה של כמה מ"מ2 . למרות שניתן ליישם את השיטה על דגימות רקמה ex vivo שהופקו מבעלי חיים, לא ניתן להרחיב אותה in vivo לבעלי חיים או לבני אדם בשל הסיכון לחשיפה לקרינה (כגון קרני גמא המיוצרות על ידי נייטרונים ואינטראקציות נייטרונים עם האטומים בדגימה). אולם הוא מתאים היטב להדמיה של אינטראקציות שורשים/קרקע של צמחים (איור 7), כגון דינמיקת ספיגת מים.

היתרון בשימוש ב-nCT מהיר לדינמיקה של צמחים הוא הרגישות ל-H במים והיעדר נזקי קרינה לצמח, בניגוד ל-CT רנטגן. יתר על כן, ניתן לראות ניגודיות ייחודית משימוש בנייטרונים בדגימות עצם/מתכת כגון עצם הירך של חולדה, שם המתכת שקופה יחסית בהשוואה לרקמות הסובבות אותה (איור 5), מה שעשוי להימנע מממצאים מתכתיים הנגרמים על-ידי CT39 של קרני רנטגן. רקמות של בעלי חיים, כמו למשל ריאה של עכבר (איור 6), מראות זיהוי מרשים של מבנה הרקמה הרכה מאחר שניטרונים רגישים ל-H, אולם רזולוציה מרחבית היא במידה מסוימת הגורם המגביל במדידות האלה. הניגודיות מסופקת על ידי אטומי H הנמצאים בדגימות ביולוגיות19,39.

עם ההתקדמות של טכניקות חדשניות כגון אינטרפרומטריה של גרידת נייטרונים, והשיפור ברזולוציה המרחבית (כמה מיקרונים דווחו לאחרונה42,43), דימות נייטרונים עשוי להציע מנגנוני ניגוד חדשים לרקמות ביולוגיות עם רזולוציה מרחבית משופרת. חקר נייטרונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר (כדי לאפשר מדידות של דגימות עבות) מבטיח גם את היכולת למדוד חלקים גדולים יותר של רקמת בעלי חיים כגון עכבר שלם, ובכך מציע אפשרויות חדשות למחקר ביו-רפואי.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

חלק ממחקר זה השתמש במשאבים בכור איזוטופים בשטף גבוה, המופעל על ידי ORNL, ובחסות משרד האנרגיה של ארה"ב, משרד המדע ומתקני משתמש, תחת חוזה DE-AC05-00OR22725 עם UT-Battelle, LLC. חלק ממחקר זה נתמך על ידי ORNL באמצעות תוכנית מלגות הצוות המצטיין של יוג'ין ויגנר. מחקר זה מומן גם על ידי משרד המדע של DOE, המשרד למחקר ביולוגי וסביבתי. דגימות עצם הירך של חולדות נלקחו מניסויים שבוצעו בשיתוף פעולה עם ד"ר ריק סאמנר במרכז הרפואי האוניברסיטאי ראש במימון שהתקבל מה-NIH (R01AR066562) ומקרן המחקר והחינוך האורתופדי-סמית ואחיינו. הצוות מבקש להודות לצוותי התמיכה של HFIR המאפשרים שימוש באלומות פיזור נייטרונים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum containers custom Made from aluminum plates or tubing (alternate is quartz), plant and mouse sample
Aluminum foil Fisher 01-213-100 Mouse lung sample containment
Deionized water or deuterium oxide Water or D2O can be used to enhance contrast, plant sample
Ethanol Fisher 04-355-223 Mouse lung sample
Gauze sponges CardinalHealth Fully submerged in phosphate-buffered saline (PBS) and used to wrap samples, rat femur sample
Growth chamber Conviron A1000 Any growth chamber or greenhouse with controlled conditions would work, plant sample
Laboratory balance Weighing plant system can be used to measure actual water content in the soils, plant sample
Pure silica sand US Silica Co. Flint#13 Pure SiO2 provides low neutron attenuation compared to soils, plant sample
Sprague-Dawley Rats Harlan Order Code: 002-US Rat femur sample
Titanium Rod Goodfellow TI007905 Rat femur sample

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cekanova, M., Donnell, R., Bilheux, H., Bilheux, J. -C. Neutron imaging: Detection of cancer using animal model. Proceedings of the 2014 Biomedical Sciences and Engineering Conference - 5th Annual ORNL Biomedical Sciences and Engineering Conference: Collaborative Biomedical Innovations - The Multi-Scale Brain: Spanning Molecular, Cellular, Systems, Cognitive, Behaviour. , (2014).
  2. Bilheux, H. Z., et al. Neutron imaging a. The Oak Ridge National Laboratory: Application to biological research. Proceedings of the 2014 Biomedical Sciences and Engineering Conference - 5th Annual ORNL Biomedical Sciences and Engineering Conference: Collaborative Biomedical Innovations - The Multi-Scale Brain: Spanning Molecular, Cellular, Systems, Cognitive, Behaviour. , (2014).
  3. Bilheux, H. Z., et al. A novel approach to determine post mortem interval using neutron radiography. Forensic Science International. 251, (2015).
  4. Isaksson, H., et al. Neutron tomographic imaging of bone-implant interface: Comparison with X-ray tomography. Bone. 103, 295-301 (2017).
  5. Le Cann, S., et al. Characterization of the bone-metal implant interface by Digital Volume Correlation of in-situ loading using neutron tomography. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 75, 271-278 (2017).
  6. Burca, G., et al. Exploring the potential of neutron imaging for life sciences on IMAT. Journal of Microscopy. 272 (3), 242-247 (2018).
  7. Metzke, R. W., et al. Neutron computed tomography of rat lungs. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 1-10 (2011).
  8. Altieri, S., et al. Neutron autoradiography imaging of selective boron uptake in human metastatic tumours. Applied Radiation and Isotopes. 66 (12), 1850-1855 (2008).
  9. Altieri, S., Bortolussi, S., Bruschi, P., Pedroni, P., Zonta, A. Neutron radiography of human liver metastases after BPA infusion. Proceedings of 11th World congress on Neutron Capture Therapy. , (2004).
  10. Holz, M., Zarebanadkouki, M., Kaestner, A., Kuzyakov, Y., Carminati, A. Rhizodeposition under drought is controlled by root growth rate and rhizosphere water content. Plant and Soil. 423 (1-2), 429-442 (2018).
  11. Esser, H. G., Carminati, A., Vontobel, P., Lehmann, E. H., Oswald, S. E. Neutron radiography and tomography of water distribution in the root zone. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 173 (5), 757-764 (2010).
  12. Warren, J. M., et al. Neutron imaging reveals internal plant water dynamics. Plant and Soil. 366 (1-2), (2013).
  13. Dhiman, I., et al. Quantifying root water extraction after drought recovery using sub-mm in situ empirical data. Plant and Soil. 424, 73-89 (2018).
  14. Kroener, E., Zarebanadkouki, M., Kaestner, A., Carminati, A. Non-equilibrium dynamics of rhizosphere. Water Resources Research. 50 (8), 6479-6495 (2014).
  15. Moradi, A. B., et al. Three-dimensional visualization and quantification of water content in the rhizosphere. New Phytologist. 192 (3), 653-663 (2011).
  16. Banhart, J., et al. X-ray and neutron imaging - Complementary techniques for materials science and engineering. International Journal of Materials Research. 101 (9), 1069-1079 (2010).
  17. LaManna, J. M., Hussey, D. S., Baltic, E. M., Jacobson, D. L. Improving material identification by combining x-ray and neutron tomography. Proceedings 10391, Developments in X-Ray Tomography XI. 1039104, (2017).
  18. Tengattini, A., et al. NeXT-Gremoble, the Neutron and X-ray tomograph in Grenoble. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 968, 163939 (2020).
  19. Neutron Imaging and Applications. Bilheux, H. Z., McGreevy, R. L., Anderson, I. S. , Springer. Boston, MA, USA. (2009).
  20. Zhang, P., Wittmann, F. H., Zhao, T. J., Lehmann, E. H., Vontobel, P. Neutron radiography, a powerful method to determine time-dependent moisture distributions in concrete. Nuclear Engineering and Design. 241 (12), 4758-4766 (2011).
  21. Lobo, R. M., Andrade, A. H. P., Castagnet, M. Hydride embrittlement in zircaloy components. Inac 2011 Int Nucl.Atlantic Conference. , 1-6 (2011).
  22. Kardjilov, N., et al. New trends in neutron imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 605 (1-2), 13-15 (2009).
  23. Schillinger, B., et al. Detection systems for short-time stroboscopic neutron imaging and measurements on a rotating engine. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 542 (1-3), 142-147 (2005).
  24. Thewlis, J. Neutron Radiography. British Journal of Applied Physics. 7, 345-350 (1956).
  25. Anderson, J. Neutron Radiography in Man. British Journal of Radiology. 37, 957-958 (1964).
  26. Brown, M., Parks, P. B. Neutron radiography in biologic media: techniques, observations, and implications. American Journal of Roentgenology. 106 (3), 472-485 (1969).
  27. Metzke, R. W., Runck, H., Stahl, C. A., Schillinger, B., Calzada, E. Neutron computed tomography of rat lungs. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 1-10 (2011).
  28. Crow, L., et al. The CG1 instrument development test station at the high flux isotope reactor. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 634 (1), 71-74 (2011).
  29. Santodonato, L., et al. The CG-1D neutron imaging beamline at the Oak Ridge National Laboratory High Flux Isotope Reactor. Physics Procedia. 69, 104-108 (2015).
  30. Tremsin, A. S., et al. Improved efficiency of high resolution thermal and cold neutron imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 628 (1), 415-418 (2011).
  31. Tremsin, A. S., Vallerga, J. V., McPhate, J. B., Siegmund, O. H. W. Optimization of high count rate event counting detector with microchannel plates and quad Timepix readout. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 787, 20-25 (2015).
  32. Vlassenbroeck, J., et al. Software tools for quantification of X-ray microtomography at the UGCT. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 580 (1), 442-445 (2007).
  33. Gürsoy, D., De Carlo, F., Xiao, X., Jacobsen, C. TomoPy: A framework for the analysis of synchrotron tomographic data. Journal of Synchrotron Radiation. 21 (5), 1188-1193 (2014).
  34. Pelt, D. M., et al. Integration of TomoPy and the ASTRA toolbox for advanced processing and reconstruction of tomographic synchrotron data. Journal of Synchrotron Radiation. 23 (3), 842-849 (2016).
  35. Venkatakrishnan, S. V., Cakmak, E., Billheux, H., Bingham, P., Archibald, R. K. Model-based iterative reconstruction for neutron laminography. Conference Record of 51st Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, ACSSC 2017. , (2018).
  36. Stalling, D., Westerhoff, M., Hege, H. C. Amira: A highly interactive system for visual data analysis. Visualization Handbook. 1, 749-767 (2005).
  37. Grünzweig, C., Frei, G., Lehmann, E., Kühne, G., David, C. Highly absorbing gadolinium test device to characterize the performance of neutron imaging detector systems. Review of Scientific Instruments. 78 (5), 1-4 (2007).
  38. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  39. Meagher, M. J., Parwani, R. N., Virdi, A. S., Sumner, D. R. Optimizing a micro-computed tomography-based surrogate measurement of bone-implant contact. Journal of Orthopaedic Research. 36 (3), 979-986 (2018).
  40. Dalesio, L. R., et al. The experimental physics and industrial control system architecture: past, present, and future. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. 352 (1-2), 179-184 (1994).
  41. Bilheux, J., Lin, J. Y. Y., Bilheux, H. Z. Jupyter notebooks for neutron radiography data processing and analysis. Neutron Radiography-WCNR-11. 15, 198-204 (2020).
  42. Trtik, P., et al. Improving the spatial resolution of neutron imaging at Paul Scherrer Institut - The Neutron Microscope Project. Physics Procedia. 69, 169-176 (2015).
  43. Morgano, M., et al. Unlocking high spatial resolution in neutron imaging through an add-on fibre optics taper. Optics Express. 26 (2), 9-12 (2018).

Tags

Retraction גיליון 171 רדיוגרפיה של נייטרונים טומוגרפיה ממוחשבת של נייטרונים מקור כור הדמיית נייטרונים שחזור נתוני תמונה ויזואליזציה גלאים דגימות ביולוגיות
רדיוגרפיה של נייטרונים וטומוגרפיה ממוחשבת של מערכות ביולוגיות בכור איזוטופ השטף הגבוה של המעבדה הלאומית אוק רידג'
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bilheux, H. Z., Cekanova, M.,… More

Bilheux, H. Z., Cekanova, M., Warren, J. M., Meagher, M. J., Ross, R. D., Bilheux, J. C., Venkatakrishnan, S., Lin, J. Y. Y., Zhang, Y., Pearson, M. R., Stringfellow, E. Neutron Radiography and Computed Tomography of Biological Systems at the Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor. J. Vis. Exp. (171), e61688, doi:10.3791/61688 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter