非侵入性的三维可视化与亚微米分辨率使用同步加速器X射线断层扫描
May 27th, 2008
我们使用的欧洲同步辐射装置（ESRF）的同步辐射X射线断层检查，非侵入性产生了0.7μm的像素分辨率的三维断层数据集。使用量的渲染软件，这使得无病理切片制作的文物在自然状态下的内部结构重建。
Hello.My 名叫 Michelle Ov，来自管材大学 Bats 实验室，在本次演讲中，我想谈谈使用亚微米分辨率的同步加速器 X 射线断层扫描对微 AHR 推杆内部组织的无创三维可视化。我们正在使用的模型系统是轨道螨 Aus Long osis，这是一种体型 800 微米到 1 毫米的微型 COLYER AHR 输出。这是一张从所有实验室培养物中拍摄的照片，您可以在其中看到以藻类为食的动物。
为了研究 Argos 的内部组织，我们使用同步加速器 X 射线辐射在 SRF 和 Grable 处产生断层扫描 VOX 数据。在这里，您可以看到带有大存储环的 ESRF 图片，在右上角，您可以看到 ID 19 的实验大厅，它位于环的外部。对于测量，样品精确指向右侧并使用强力胶安装在塑料针上。实验在 20.5 KEV 下进行，并采取了 1， 500 个投影进行重建。
在这里，您可以看到带有 co freelance CCD 芯片、14 位动态范围和 4 百万像素的相机。图底部所示的模拟器将 X 射线转换为可见光。这是样品架和旋转台的特写。
样品安装在 Goya 仪表头上，以便样品在光束中正确定向。实验装置的详细说明在我们 2007 年发表在 Journal of Microscopy 上的论文中给出。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器。
首先，我将向您展示如何从背景中删除灰度值以提取样本信息。在直方图中，您会看到一个大峰值，它主要属于背景中的灰度值。从直方图中删除此峰后，您可以看到样品从灰色立方体中流出。
接下来，我将向您展示如何使用关键帧器 VG studio 旋转对象。Max 具有一组预定义的摄像机轨迹。在这里，我使用 XY 圆生成围绕垂直 X 的旋转，这是最终的动画。
动物背面的大结构对应于强力胶的表面。现在，我将向您展示如何设置虚拟切割平面，以便能够对样品的内部组织进行三维观察。有三个方向可以设置切割平面 正面 实际 热情.
在这里，我使用正面平面，并在动物中间的某个地方找到一个切割位置，在这个区域内，这个切割平面不必是静态的。同样，使用关键帧器，它可以沿任何轴移动。在这个例子中，我使用预设的剪辑 Z 沿样品的纵轴移动切割平面，这就是最终动画一步一步的样子，你可以看到并跟踪所有内部结构的 3D 组织，P 分辨率只有 0.7 微米。
除了预定义的相机轨迹外，还可以生成用户特定的相机路径。为此，请选择 free camera look at 模式并将相机和虚拟镜头的焦距调整到任何所需的位置。可以逐步定义新的相机位置，以遵循任何复杂程度的单个路径。
左上角的 3D 窗口实时显示所有摄像机设置的效果。最后一个例子将带您跟随整个消化系统穿过动物进行虚拟飞行。在这里，您可以看到 gma、煤矿、盂唇和罗特拉的一些部分。
我们越来越近，进入了动物的嘴里。在这里，您可以看到背面的 PHN。现在我们穿过食道进入心室。
我们的铆接螨虫有两个大 ker。这些是具有消化功能的类似结构。我们进入正确的 seum。
通过它的小开口，您可以看到许多 IDE 单元。这些在消化中起着重要作用，尽管完整的功能和机制尚不完全清楚。回到心室，我们看到一个特殊的结构，即 Isal 瓣膜，我们实际上在一分钟前通过它进入了心室，就在心室和结肠的交界处。
你可以看到一只食物公牛，它被压实并被萎缩膜包围。在食物团后面，你会看到一个粪便调色板。我们现在正在飞速浏览这个 FE 调色板。
之后，我们传递了短的冒号间并进入后冒号。在这里，您可以看到大而有特色的微生物。最后，您可以在此处看到特定动物板的内表面，就像 fe 调色板一样。
我们离开消化系统。现在我们对动物的外部腹侧进行简短的最终观察，并看到动物板、AAL 板和生殖板。
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
概述
本研究介绍了一种使用同步加速器X射线断层扫描技术来可视化微型AHR输出内部结构的非侵入性方法。该技术允许高分辨率3D成像，而不会出现传统组织学方法所带来的伪影。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 成像技术
- 微生物学
背景
- 微型AHR输出是需要详细内部分析的小型生物体。
- 传统成像方法可能会引入掩盖真实结构的伪影。
- 同步加速器X射线断层扫描提供了高分辨率的解决方案。
- 该研究以轨道螨Aus Long osis为模型生物。
研究目的
- 可视化微型AHR输出的内部结构。
- 展示同步加速器X射线断层扫描的有效性。
- 提供对这些小型生物体组织的见解。
使用的方法
- 在欧洲同步加速器辐射设施（ESRF）进行的同步加速器X射线断层扫描。
- 样本经过临界点干燥处理并安装以便成像。
- 成像在20.5 KEV下进行，共拍摄了1,500个投影。
- 使用体积渲染软件进行数据重建。
主要结果
- 生成了像素分辨率为0.7µm的3D断层扫描数据集。
- 内部结构以其自然状态重建。
- 该方法成功避免了组织切片引入的伪影。
- 可视化提供了对微型AHR输出组织的新见解。
结论
- 同步加速器X射线断层扫描是一种强大的非侵入性成像工具。
- 该技术增强了我们对小型生物结构的理解。
- 未来的研究可以利用这种方法应用于生物学的各种应用中。
常见问题
Executive Industry Relevance
Non-invasive 3D visualization with sub-micron resolution enables detailed internal structural analysis of micro-scale biological systems without destructive sectioning. This approach supports target validation and mechanistic de-risking in early discovery by providing quantitative morphological data in native state. The method enhances predictive confidence for phenotypic screening and assay development in disease-relevant models where traditional histology fails due to sample size or preparation artifacts.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through 3D reconstruction of internal organ systems in micro-arthropod models.
- Operational Value: Provides non-destructive imaging for unique or limited samples, preserving material for downstream analyses.
- Predictive Value: Supports biological de-risking by visualizing functional anatomy and tissue organization without sectioning artifacts.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative morphology datasets with 0.7µm pixel resolution for precise phenotyping and structural comparison.
- Operational Value: Enables standardized, reproducible volume rendering workflows using key-framed camera trajectories and virtual cutting planes.
- Assay Readiness: Facilitates visualization of complete organ systems (e.g., digestive tract) to inform biomarker selection and functional readout design.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Allows longitudinal tracking of internal structures in disease-relevant systems through animated 3D visualization.
- Mechanistic De-risking: Reveals hidden anatomical features (e.g., intracellular structures, valve mechanisms) to clarify pathophysiological pathways.
- Preclinical Alignment: Supports risk-adjusted advancement decisions by providing artifact-free structural validation across model systems.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows as a non-destructive imaging step following sample preparation and preceding functional assay development, enabling iterative design of target validation studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by revealing internal organization of micro-scale biological systems.
- Screening: Delivers quantitative 3D outputs suitable for high-content screening platforms requiring sub-cellular resolution.
- Analytics: Enables extraction of morphometric landmarks and volumetric measurements for statistical comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by providing native-state structural data that correlates with functional phenotypes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging capability for cross-project application in micro-organismal model systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases target validation confidence by eliminating histological artifacts and preserving native ultrastructure.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized synchrotron protocols and software-driven visualization pipelines.
- Strategic Value: Reduces late-stage failure risk by enabling early detection of structural anomalies in lead candidate models.
- Portfolio Impact: Informs go/no-go decisions through reliable, quantitative structural data in disease-relevant micro-models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in synchrotron radiation safety, tomographic reconstruction, and volume rendering software (e.g., Fiji, VG Studio Max).
- Depends on access to synchrotron facilities (e.g., ESRF) with beamline capabilities for sub-micron resolution imaging at 20.5 keV.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation (critical point drying, mounting) and imaging parameters (1,500 projections, rotation protocols).
- Involves adaptation considerations for varying sample densities, cuticle hardness, and mounting media across micro-arthropod species.
- Limited by sample size constraints (<1 mm) and the need for radiation-stable specimens during prolonged beam exposure.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:18
Introduction
0:38
X-ray radiation tomographic measurements
2:08
Removing the background and extracting the sample information
2:38
Rotating the object using the keyframer
3:25
Setting the virtual plane
4:06
Moving the slice through the object using the keyframer
4:45
User specific camera paths
5:23
Following the digestive system through the whole animal
