Radiografia neutronica e tomografia computerizzata di sistemi biologici presso il reattore isotopico ad alto flusso dell'Oak Ridge National Laboratory

La radiografia dei nutrienti e la tomografia computerizzata sono posizionate in modo univoco per misurare campioni biologici a causa della sensibilità dei nutrienti agli atomi di idrogeno. Il vantaggio principale di queste tecniche è quello di fornire mappe tridimensionali non distruttive e non invasive del contenuto di idrogeno nei campioni di tessuto o del contenuto di acqua nelle radici delle piante e nel suolo. L'imaging dei nutrienti è applicabile a molte aree diverse di ricerca, come materiali energetici, scienza dei materiali, ingegneria, piante, suolo, movimenti dell'acqua, eccetera.

Questa tecnica non può essere utilizzata per la terapia o l'istituto diagnostico a causa dei rischi di esposizione alle radiazioni. Tuttavia, può essere utilizzato per determinare i margini tumorali in piccoli tumori intatti resecati, per esempio. Raccomando a una persona interessata a questa tecnica di contattarci e discutere le loro domande di ricerca.

Le nostre informazioni sono disponibili sul nostro sito web, neutrons.ornl.gov. A dimostrare la procedura saranno Yuxuan Zang, uno scienziato di diffusione di neutroni, Jean Bilheux, scienziato di strumenti informatici, ed Erik Stringfellow, un associato scientifico del nostro team di imaging. Per iniziare, aprire una finestra di terminale sul computer Beamline.

Digitare CSS e premere Invio per avviare l'interfaccia utente. Se non è aperto per impostazione predefinita, scegliere l'opzione Home utente nella scheda Menu per aprire l'interfaccia APEX Imaging. Nella prima scheda dell'interfaccia, ProposalCameraSE Device, selezionare l'ottica Beamline facendo clic sul pulsante Ottica accanto a Camera/Detectors.

Fare clic sul pulsante Fessure per impostare la dimensione dell'apertura stenopeica e l'apertura del sistema di fessura. Imbullonare lo stadio di rotazione sugli stadi XY in cui deve essere posizionato il campione. Se si utilizza un rilevatore diverso dal CCD, selezionare un obiettivo in base alla risoluzione spaziale e alla lunghezza focale desiderate.

Dopo aver messo a fuoco la fotocamera, mettere a fuoco l'immagine nella posizione dello scintillatore di neutroni. Quindi, posizionare una maschera di risoluzione che assorbe neutroni contro lo scintillatore del rivelatore per mettere a fuoco la lente con neutroni. Successivamente, utilizzando APEX, automatizza lo spostamento del motore del rilevatore e raccogli radiografie eccessive utilizzando diverse posizioni del rilevatore dallo specchio.

Confronta le radiografie valutando le coppie di linee in uno strumento software di immagini come Fiji o ImageJ. Quindi, fissare il campione in un contenitore di alluminio adatto o in un foglio di alluminio resistente e posizionare il campione sullo stadio di rotazione il più vicino possibile al rilevatore. Misurare la distanza tra campione e rilevatore e rimuovere il campione.

Sostituiscila con la maschera di risoluzione per valutare la dimensione dei pixel nella posizione del campione in questa configurazione Beamline. Utilizzando una dimensione nota della feature, valutate il numero di pixel nella feature per determinare la dimensione in pixel. Riposizionare il campione sullo stadio di rotazione.

Quindi, utilizzando la scheda Allinea campione nell'interfaccia APEX, allineare il campione con il fascio di neutroni eseguendo radiografie successive e veloci mentre il campione è in movimento fino a quando non è in piena vista del rivelatore. Salvare il file di allineamento di esempio. Prima di avviare la scansione TC, fare clic sulla scheda Allinea campione e utilizzare l'opzione Controllo rotazione automatica campione per verificare che il campione rimanga nel campo visivo da diverse angolazioni valutando le radiografie generate con diversi orientamenti del campione con il fascio.

Selezionare la prima scheda APEX denominata ProposalCameraSE Device. Fare clic sul pulsante Cambia proposta o campione. Selezionare il numero di progetto e l'ID del campione da misurare nell'elenco dei campioni a destra e nell'elenco delle proposte a sinistra.

Utilizzare la freccia indietro per tornare all'interfaccia APEX principale. Nell'elenco delle opzioni Rilevatore di telecamere, selezionare il rilevatore tra quattro rilevatori e/o CCD e/o sCMOS, CCD SBIG o MCP disponibili. Nella sezione Dispositivo ambiente di esempio, fare clic su Fase di rotazione, Scansione CT.

Quindi, selezionare una delle fasi di rotazione corrispondente al campione da scansionare. Nella parte inferiore della scheda, selezionare Modalità acquisizione dati e selezionare il Raggio bianco. Quindi, selezionare la seconda scheda APEX denominata Allinea campione.

Digitare un nome di file di esempio e premere Invio. Ripetere l'operazione per il nome della sottocartella. Si supponga che il campione sia allineato e pronto per CT. Selezionare il tempo di acquisizione desiderato e fare clic sul pulsante Scatta immagini rapide per raccogliere una serie di radiografie con tempi di acquisizione diversi.

Per valutare il rapporto segnale-rumore, aprire le radiografie raccolte in ImageJ o Fiji e tracciare un profilo che va dal campione a un'area aperta. Se sullo stadio XY sono impostati più campioni su più fasi di rotazione, registrare ogni posizione del campione dopo l'allineamento e fare clic sul pulsante Salva in un file per salvare i dati come file CSV. Quindi, selezionare la terza scheda APEX intitolata Raccogli dati per impostare i parametri di scansione CT.

Digitare un nome di file sulla prima riga scrivibile e premere INVIO. Ripetere l'operazione per il nome della sottocartella. Nella sezione Allinea esempio utilizzando il file salvato, selezionare il file che in precedenza ha registrato le posizioni del motore di esempio.

Fare clic su Allinea utilizzando file per far tornare il campione in posizione nel fascio di neutroni. Per calcolare il numero di proiezioni in base al teorema di Nyquist, in primo luogo, calcolare il numero di pixel attraverso la dimensione orizzontale del campione e moltiplicare per 1,5 per ottenere il numero di proiezioni necessarie per soddisfare il campionamento di Nyquist. Immettere l'angolo di inizio rotazione, l'angolo di fine rotazione, le dimensioni del passo di rotazione, il numero di immagini per passo e il tempo di esposizione per ogni immagine.

Avviare la scansione CT facendo clic sul pulsante Raccogli dati. Sul server di analisi Linux, accedere a Imaris 3D Notebook facendo clic sul collegamento del menu in alto, Applicazioni, quindi su Analisi-Imaging e ricostruzione CT. Esegui le prime righe del codice, che caricherà gli strumenti necessari per eseguire Imaris 3D.

Caricare i dati piatti e in campo scuro. Verificare che tutti e tre i set di dati siano caricati correttamente. Ritaglia i dati selezionando l'area di interesse nell'immagine.

Eseguire il filtro in base alle esigenze eseguendo il codice nella sezione del filtro. Procedere con la normalizzazione, seguita dalla correzione della fluttuazione del fascio. Selezionare la regione di sfondo dall'immagine, seguita dalla trasmissione all'attenuazione.

Quindi, eseguire la correzione automatica dell'inclinazione del campione calcolando l'inclinazione utilizzando il codice e applicando la correzione dell'inclinazione. Quindi, eseguire la rimozione dello sciopero e il calcolo del centro di rotazione. Quindi, eseguire la ricostruzione volumetrica e visualizzare i dati.

Salvare i dati nella cartella del numero di progetto denominata Condiviso. Quindi, attivare il software Amira sul server Facility Analysis, caricare le sezioni ricostruite nel software e procedere con la visualizzazione, l'ulteriore filtraggio e l'analisi. È stata sviluppata un'interfaccia progettata su misura per guidare questo protocollo sperimentale e ridurre al minimo l'errore umano.

L'interfaccia si muove logicamente attraverso i passaggi necessari prima di misurare un campione. La tomografia computerizzata a neutroni, o NCT, del femore di un ratto con un impianto di titanio è mostrata qui. Sono stati ottenuti l'NCT basato sulla falsa attenuazione del femore e un taglio diagonale attraverso l'osso per rivelare l'impianto.

L'impianto non interagisce con i neutroni tanto quanto il materiale osseo, quindi la sua attenuazione è minima e appare più scuro dell'osso circostante. L'osso trabecolare, che è presente all'interno dello spazio midollare del femore, è chiaramente visibile all'estremità prossimale del campione. La capacità dei neutroni di rilevare campioni di tessuti molli è stata dimostrata su un polmone di topo fissato con etanolo.

Il volume ricostruito del polmone è stato ottenuto da NCT. Un taglio attraverso il lobo destro del polmone è illustrato qui. È stata ottenuta anche la resa volumetrica a falsi colori di un sistema di radici e terreno di piante in un contenitore rettangolare di alluminio.

Nonostante uno scarso rapporto segnale-rumore, il sistema radicale nel terreno è chiaramente visibile nei tagli verticali del campione. È fondamentale valutare la dimensione dei pixel, in modo che le immagini registrate possano essere trasmesse alle dimensioni fisiche. La qualità della ricostruzione del volume 3D si basa su un buon campionamento seguendo il teorema di Nyquist.

Tecniche di imaging neutronico più avanzate, come l'interferometria di classificazione neutronica, possono essere eseguite seguendo una procedura simile. Questi nuovi metodi risponderebbero a domande, come la distribuzione tridimensionale della nanoporosità nei materiali porosi. La radiografia neutronica e la tomografia computerizzata hanno un ampio impatto scientifico.

Queste tecniche sono di applicazione e la comprensione delle batterie e del loro meccanismo di guasto. Comportamento avanzato dei materiali come quelli stampati in 3D, archeologia, biologia e migliore localizzazione dei tumori.