Oak Ridge National Laboratory의 High Flux Isotope Reactor에서 생물학적 시스템의 중성자 방사선 촬영 및 컴퓨터 단층 촬영

영양소 방사선 촬영 및 컴퓨터 단층 촬영은 수소 원자에 대한 영양소의 민감성으로 인해 생물학적 샘플을 측정할 수 있는 고유한 위치에 있습니다. 이러한 기술의 주요 이점은 조직 샘플의 수소 함량 또는 식물 뿌리 및 토양의 수분 함량에 대한 비파괴 및 비침습적 3차원 지도를 제공하는 것입니다. 영양소 이미징은 에너지 재료, 재료 과학, 공학, 식물, 토양, 물의 움직임 등과 같은 다양한 연구 분야에 적용할 수 있습니다.

이 기술은 방사선 노출의 위험으로 인해 치료 또는 기관 진단에 사용할 수 없습니다. 그러나, 예를 들어, 작은 절제된 온전한 종양에서 종양 가장자리를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술에 관심이 있는 개인에게 연락하여 연구 질문에 대해 논의할 것을 권장합니다.

당사의 정보는 당사 웹사이트 neutrons.ornl.gov 에서 확인할 수 있습니다. 중성자 산란 과학자인 Yuxuan Zang, 컴퓨터 기기 과학자인 Jean Bilheux, 이미징 팀의 과학 어소시에이트인 Erik Stringfellow가 절차를 시연할 것입니다. 시작하려면 Beamline 컴퓨터에서 터미널 창을 엽니다.

CSS를 입력하고 Enter 키를 눌러 사용자 인터페이스를 시작합니다. 기본적으로 열려 있지 않은 경우 메뉴 탭에서 사용자 홈 옵션을 선택하여 APEX Imaging 인터페이스를 엽니다. 인터페이스의 첫 번째 탭인 ProposalCameraSE Device에서 Camera/Detectors 옆에 있는 Optics 버튼을 클릭하여 Beamline 옵틱을 선택합니다.

슬릿 버튼을 클릭하여 핀홀 조리개 크기와 슬릿 시스템의 개방을 설정합니다. 회전 s를 볼트로 고정tage XY s에 stags가 배치됩니다. CCD 이외의 감지기를 사용하는 경우 원하는 공간 해상도와 초점 거리에 따라 렌즈를 선택하십시오.

카메라에 초점을 맞춘 후 중성자 섬광체의 위치에 이미지의 초점을 맞춥니다. 그런 다음 중성자 흡수 해상도 마스크를 검출기 신틸레이터에 대고 중성자로 렌즈 초점을 미세 조정합니다. 그런 다음 APEX를 사용하여 검출기 모터의 이동을 자동화하고 미러에서 서로 다른 검출기 위치를 사용하여 과도한 방사선 사진을 수집합니다.

Fiji 또는 ImageJ와 같은 이미지 소프트웨어 도구에서 선 쌍을 평가하여 방사선 사진을 비교합니다. 그런 다음 샘플을 적절한 알루미늄 용기 또는 견고한 알루미늄 호일에 넣고 샘플을 회전 스테이지에 최대한 가깝게 디텍터에 배치합니다. 시료와 검출기의 거리를 측정하고 시료를 제거합니다.

해상도 마스크로 교체하여 이 빔라인 구성의 샘플 위치에서 픽셀 크기를 평가합니다. 알려진 특징 차원을 사용하여 특징 전체의 픽셀 수를 평가하여 픽셀 크기를 결정합니다. 회전 단계에서 샘플을 재배치합니다.

그런 다음 APEX 인터페이스의 Align Sample 탭을 사용하여 샘플이 검출기의 전체 시야에 올 때까지 연속적이고 빠른 방사선 사진을 촬영하여 샘플을 중성자 빔에 맞춥니다. 샘플 정렬 파일을 저장합니다. CT 스캔을 시작하기 전에 샘플 정렬 탭을 클릭하고 자동 샘플 회전 확인 옵션을 사용하여 빔과 함께 다른 샘플 방향에서 생성된 방사선 사진을 평가하여 샘플이 다른 각도에서 시야에 남아 있는지 확인합니다.

첫 번째 APEX 탭인 ProposalCameraSE Device를 선택합니다. Switch Proposal or Sample(제안 또는 샘플 전환) 버튼을 클릭합니다. 오른쪽의 샘플 목록과 왼쪽의 제안 목록에서 측정할 프로젝트 번호와 샘플 ID를 선택합니다.

뒤로 화살표를 사용하여 기본 APEX 인터페이스로 돌아갑니다. 카메라 감지기 옵션 목록에서 사용 가능한 4개의 감지기 및/또는 CCD 및/또는 sCMOS, SBIG CCD 또는 MCP 중에서 감지기를 선택합니다. Sample Environment Device(샘플 환경 디바이스) 섹션에서 Rotation Stage(회전 스테이지), CT Scan(CT 스캔)을 클릭합니다.

그런 다음 스캔할 샘플에 해당하는 회전 단계 중 하나를 선택합니다. 탭 하단에서 데이터 수집 모드를 선택하고 화이트 빔을 선택합니다. 그런 다음 샘플 정렬이라는 두 번째 APEX 탭을 선택합니다.

샘플 파일 이름을 입력하고 Enter 키를 누릅니다. 하위 폴더 이름에 대해 반복합니다. 샘플이 정렬되고 CT를 받을 준비가 되었다고 가정합니다. 원하는 획득 시간을 선택하고 빠른 이미지 촬영 버튼을 클릭하여 획득 시간이 다른 일련의 방사선 사진을 수집합니다.

신호 대 잡음비를 평가하려면 수집된 방사선 사진을 ImageJ 또는 Fiji에서 열고 샘플에서 열린 영역으로 이동하는 프로파일을 플로팅합니다. 여러 회전 스테이지의 XY 스테이지에 여러 샘플이 설정된 경우 정렬 후 각 샘플 위치를 기록하고 파일에 저장 버튼을 클릭하여 데이터를 CSV 파일로 저장합니다. 그런 다음 데이터 수집이라는 제목의 세 번째 APEX 탭을 선택하여 CT 스캔 매개변수를 설정합니다.

쓰기 가능한 첫 번째 줄에 파일 이름을 입력하고 Enter 키를 누릅니다. 하위 폴더 이름에 대해 반복합니다. 저장된 파일을 사용하여 샘플 정렬(Align Sample Using the Saved File) 섹션에서 이전에 샘플 모터 위치를 기록한 파일을 선택합니다.

Align Using File(파일을 사용하여 정렬)을 클릭하여 샘플이 중성자 빔의 제자리로 돌아가도록 합니다. 나이퀴스트 정리를 기반으로 투영 수를 계산하려면 먼저 표본 수평 차원의 픽셀 수를 계산하고 1.5를 곱하여 나이퀴스트 표본추출을 수행하는 데 필요한 투영 수를 구합니다. 회전 시작 각도, 회전 종료 각도, 회전 단계 크기, 단계당 이미지 수, 각 이미지의 노출 시간을 입력합니다.

데이터 수집 버튼을 클릭하여 CT 스캔을 시작합니다. Linux Analysis 서버에서 상단 메뉴 바로 가기, Applications, Analysis-Imaging 및 CT 재구성을 차례로 클릭하여 Imaris 3D Notebook에 액세스합니다. 코드의 처음 몇 줄을 실행하면 Imaris 3D를 실행하는 데 필요한 도구가 로드됩니다.

데이터를 플랫 및 암시 필드로 로드합니다. 세 가지 데이터 세트가 모두 제대로 로드되었는지 확인합니다. 이미지에서 관심 영역을 선택하여 데이터를 자릅니다.

필요에 따라 필터링 섹션의 코드를 실행하여 필터링을 수행합니다. 정규화를 진행한 후 빔 변동 보정을 진행합니다. 이미지에서 배경 영역을 선택한 다음 감쇠로 전송합니다.

그런 다음 코드를 사용하여 기울기를 계산하고 기울기 보정을 적용하여 자동 샘플 기울기 보정을 수행합니다. 다음으로 스트라이크 제거 및 회전 중심 계산을 수행합니다. 그런 다음 체적 재구성을 수행하고 데이터를 봅니다.

Shared라는 프로젝트 번호 폴더에 데이터를 저장합니다. 그런 다음 Facility Analysis 서버에서 Amira 소프트웨어를 켜고, 소프트웨어에서 재구성된 슬라이스를 로드하고, 시각화, 추가 필터링 및 분석을 진행합니다. 이 실험 프로토콜을 안내하고 인적 오류를 최소화하기 위해 맞춤형으로 설계된 인터페이스가 개발되었습니다.

인터페이스는 샘플을 측정하기 전에 필요한 단계를 논리적으로 이동합니다. 티타늄 임플란트를 한 쥐의 대퇴골에 대한 중성자 컴퓨터 단층 촬영 (NCT)이 여기에 나와 있습니다. 대퇴골의 가색 감쇠 기반 NCT와 뼈를 대각선으로 절단하여 임플란트를 드러냈습니다.

임플란트는 뼈 재료만큼 중성자와 상호 작용하지 않으므로 감쇠가 최소화되고 주변 뼈보다 어둡게 보입니다. 대퇴골의 수질 공간 내에 존재하는 섬유주골은 샘플의 근위부에서 명확하게 볼 수 있습니다. 연조직 표본을 검출하는 중성자의 능력은 에탄올로 고정된 마우스 폐에서 입증되었습니다.

폐의 재건된 용적은 NCT로부터 얻었다. 폐의 오른쪽 엽을 관통하는 절개가 여기에 설명되어 있습니다. 직사각형 알루미늄 용기에서 식물 뿌리와 토양 시스템의 가색 체적 렌더링도 얻어졌습니다.

신호 대 잡음비가 좋지 않음에도 불구하고 토양의 뿌리 시스템은 샘플의 수직 절단에서 명확하게 볼 수 있습니다. 픽셀 크기를 평가하는 것이 중요하므로 녹화된 이미지를 물리적 치수로 전달할 수 있습니다. 3D 볼륨 재구성의 품질은 나이퀴스트 정리(Nyquist theorem)에 따른 좋은 샘플링에 의존합니다.

중성자 등급 간섭계와 같은 보다 진보된 중성자 이미징 기술은 유사한 절차에 따라 수행될 수 있습니다. 이러한 새로운 방법은 다공성 물질의 3차원 나노다공성 분포와 같은 질문에 답할 것입니다. 중성자 방사선 촬영과 컴퓨터 단층 촬영은 광범위한 과학적 영향을 미칩니다.

이러한 기술은 배터리 및 고장 메커니즘에 대한 적용 및 이해입니다. 3D 프린팅, 고고학, 생물학 및 종양의 더 나은 국소화와 같은 고급 재료 거동.