使用同步辐射X射线断层扫描实现亚微米分辨率的非侵入式三维可视化

大家好。我是来自图宾根大学Bats实验室的Michelle Ov，在本次报告中，我想介绍如何利用亚微米分辨率的同步辐射X射线断层扫描技术，对微小节肢动物内部结构进行无损三维可视化成像。我们所研究的模式生物是 orbited 螨类 Aus Long osis，这是一种体型在800微米至1毫米之间的微型节肢动物。此图拍摄自实验室培养环境，可以看到这些生物正在以藻类为食。

为了研究Argos的内部结构，我们在SRF和Grable使用同步辐射X射线在ESRF生成断层扫描VOX数据。此处您看到的是ESRF的照片，包含大型储存环，右上角是位于环外的ID 19实验大厅。在测量过程中，样品经过临界点干燥处理，并使用超级胶水固定在塑料针上。实验在20.5 keV条件下进行，重建过程共采集了1,500个投影图像。

此处显示的相机配备了一个合作开发的CCD芯片，具有14位动态范围和四百万像素。本图底部所示的探测器将X射线转化为可见光。这是样品支架和旋转台的特写。

将样品安装在Goya计量头上，以确保样品在光束中的正确取向。实验装置的详细描述见于我们2007年发表在《显微镜学杂志》上的论文。在本演示中，我将重点介绍使用Fiji Studio Max软件进行三维可视化的数据分析方法。

首先，我将向您展示如何去除背景中的灰度值，以提取样本信息。在直方图中，您会看到一个较大的峰，该峰主要来自背景的灰度值。从直方图中去除该峰后，您可以看到样本从灰度立方体中显现出来。

接下来，我将向您展示如何使用 Keyframer VG Studio 中的预设相机轨迹来旋转对象。Max 提供了一组预定义的相机轨迹。在此，我使用 XY 圆形轨迹生成围绕垂直 X 轴的旋转，这是最终的动画效果。

动物背侧的大型结构对应于超级胶水的表面。现在我将向您展示如何设置一个虚拟切割平面，以便能够三维观察样品内部的结构。切割平面可设置在三个方向：额状面、矢状面和横断面。

在此，我使用冠状面，并在动物体中部的某个位置确定切面，该切面区域无需保持固定。同样，通过使用关键帧工具，切面可沿任意轴移动。在本示例中，我使用预设的“Clip Z”功能，使切面沿样本的纵向轴移动。最终动画逐步呈现的效果如图所示，您可清晰观察并追踪所有内部结构的三维排列，其分辨率仅为 0.7 微米。

除了预定义的相机轨迹外，还可以生成用户自定义的相机路径。为此，请选择自由相机注视模式，并将相机位置和虚拟镜头的焦距调整至任意所需位置。逐步定义新的相机位置，即可创建任意复杂程度的个性化路径。

左上角的3D窗口实时显示所有相机设置的效果。最后一个示例将带您进行一次虚拟飞行，沿着动物完整的消化系统行进。在这里，您可以看到一些胃盲囊、肠、上唇和轮器的部分结构。

我们正在靠近并进入动物的口部。在这里可以看到背侧的PHN。现在我们正穿过食道，进入心室。

我们的寄生螨具有两个大型的角状结构。这些是具有消化功能的类似结构。我们进入右侧的精囊。

通过其微小的开口，可以看到大量的IDE细胞。这些细胞在消化过程中起着重要作用，尽管其完整功能和作用机制尚未完全阐明。回到心室部位，我们看到一个特定结构——伊萨尔瓣膜（Isal valve），我们刚刚正是通过该瓣膜进入心室，其位置恰好位于心室与结肠交界处。

您可以看到一个食物球，它被压缩并由萎缩的膜状物包围。在食物球后方，您会看到一个粪便板。我们目前正在穿过这个远端结肠粪便板。

随后，我们经过较短的结肠前段，进入结肠后段。此处可见大量典型的微生物群落。最后，你可以看到该动物特定板状结构的内表面，其形态类似于调色板。

我们离开消化系统。现在，我们简要地最后观察一下动物腹侧的外部结构，可以看到动物板、AAL板以及生殖板。