Radiografia de Nêutrons e Tomografia Computadorizada de Sistemas Biológicos no Reator de Isótopos de Alto Fluxo do Oak Ridge National Laboratory

A radiografia de nutrientes e a tomografia computadorizada estão posicionadas de forma única para medir amostras biológicas devido à sensibilidade dos nutrientes aos átomos de hidrogênio. A principal vantagem dessas técnicas é fornecer mapas tridimensionais não destrutivos e não invasivos do conteúdo de hidrogênio em amostras de tecido ou conteúdo de água nas raízes das plantas e no solo. A imagem de nutrientes é aplicável a muitas áreas diferentes de pesquisa, como materiais energéticos, ciência de materiais, engenharia, plantas, solo, movimentos de água, etc.

Esta técnica não pode ser usada para terapia ou instituir diagnóstico devido aos riscos de exposição à radiação. No entanto, pode ser usado para determinar margens tumorais em pequenos tumores intactos ressecados, por exemplo. Recomendo que um indivíduo interessado nesta técnica entre em contato conosco e discuta suas questões de pesquisa.

Nossas informações estão disponíveis em nosso site, neutrons.ornl.gov. Demonstrando o procedimento estarão Yuxuan Zang, um cientista de espalhamento de nêutrons, Jean Bilheux, cientista de instrumentos de computação, e Erik Stringfellow, um associado científico de nossa equipe de imagem. Para começar, abra uma janela de terminal no computador da Linha de Luz.

Digite CSS e pressione Enter para iniciar a interface do usuário. Se não for aberta por padrão, escolha a opção Página inicial do usuário na guia Menu para abrir a interface do APEX Imaging. Na primeira aba da interface, Dispositivo ProposalCameraSE, selecione a óptica da Linha de Luz clicando no botão Óptica ao lado de Câmera/Detectores.

Clique no botão Fendas para definir o tamanho da abertura do orifício e a abertura do sistema de fenda. Parafuse o estágio de rotação nos estágios XY onde a amostra deve ser colocada. Se estiver usando um detector diferente de CCD, selecione uma lente de acordo com a resolução espacial e a distância focal desejadas.

Depois de focar a câmera, foque a imagem no local do cintilador de nêutrons. Em seguida, coloque uma máscara de resolução absorvente de nêutrons contra o cintilador do detector para ajustar o foco da lente com nêutrons. Em seguida, usando APEX, automatize a movimentação do motor do detector e colete radiografias excessivas usando diferentes posições do detector a partir do espelho.

Compare as radiografias avaliando pares de linhas em uma ferramenta de software de imagem como Fiji ou ImageJ. Em seguida, prenda a amostra em um recipiente de alumínio adequado ou em uma folha de alumínio resistente e coloque a amostra no estágio de rotação o mais próximo possível do detector. Meça a distância amostra-detector e remova a amostra.

Substitua-o pela máscara de resolução para avaliar o tamanho do pixel na posição da amostra nesta configuração de Linha de Luz. Usando uma dimensão de recurso conhecida, avalie o número de pixels no recurso para determinar o tamanho do pixel. Reposicione a amostra no estágio de rotação.

Em seguida, usando a guia Alinhar amostra na interface APEX, alinhe a amostra com o feixe de nêutrons fazendo radiografias rápidas e sucessivas enquanto a amostra está se movendo até que esteja em plena visão do detector. Salve o arquivo de alinhamento de exemplo. Antes de iniciar a tomografia computadorizada, clique na guia Alinhar amostra e use a opção de verificação Rotação automatizada da amostra para verificar se a amostra permanece no campo de visão em ângulos diferentes, avaliando as radiografias à medida que são geradas em diferentes orientações de amostra com o feixe.

Selecione a primeira guia APEX chamada ProposalCameraSE Device. Clique no botão Mudar de proposta ou Exemplo. Selecione o número do projeto e o ID da amostra a serem medidos na lista de exemplos à direita e na lista de propostas à esquerda.

Use a seta para trás para voltar à interface APEX principal. Na lista de opções Detector de câmera, selecione o detector entre quatro detectores disponíveis e/ou CCD e/ou sCMOS, SBIG CCD ou MCP. Na seção Dispositivo de Ambiente de Amostra, clique em Estágio de Rotação, Tomografia Computadorizada.

Em seguida, selecione um dos estágios de rotação que corresponde à amostra a ser digitalizada. Na parte inferior da guia, selecione Modo de Aquisição de Dados e selecione o Fexe Branco. Em seguida, selecione a segunda guia APEX chamada Align Sample.

Digite um nome de arquivo de exemplo e pressione Enter. Repita para o nome da subpasta. Suponha que a amostra esteja alinhada e pronta para TC. Selecione o tempo de aquisição desejado e clique no botão Tirar imagens rápidas para coletar uma série de radiografias com diferentes tempos de aquisição.

Para avaliar a relação sinal-ruído, abra as radiografias coletadas no ImageJ ou Fiji e trace um perfil que vai da amostra para uma área aberta. Se várias amostras forem definidas no estágio XY em vários estágios de rotação, registre cada posição de amostra após o alinhamento e clique no botão Salvar em um arquivo para salvar os dados como arquivo CSV. Em seguida, selecione a terceira guia APEX intitulada Coletar dados para configurar os parâmetros de verificação de TC.

Digite um nome de arquivo na primeira linha gravável e pressione Enter. Repita para o nome da subpasta. Na seção Alinhar amostra usando o arquivo salvo, selecione o arquivo que registrou anteriormente as posições do motor de amostra.

Clique em Alinhar usando arquivo para fazer a amostra voltar à posição no feixe de nêutrons. Para calcular o número de projeções com base no teorema de Nyquist, primeiro, calcule o número de pixels em toda a dimensão horizontal da amostra e multiplique por 1,5 para obter o número de projeções necessárias para cumprir a amostragem de Nyquist. Insira o ângulo de início de rotação, o ângulo de término de rotação, o tamanho da etapa de rotação, o número de imagens por etapa e o tempo de exposição de cada imagem.

Inicie a tomografia computadorizada clicando no botão Coletar dados. No servidor de Análise Linux, acesse o Imaris 3D Notebook clicando no atalho do menu superior, Aplicativos, depois em Análise-Imagem e reconstrução por TC. Execute as primeiras linhas do código, que carregará as ferramentas necessárias para executar o Imaris 3D.

Carregue os dados em campo plano e escuro. Verifique se todos os três conjuntos de dados estão carregados corretamente. Recorte os dados selecionando a região de interesse na imagem.

Execute a filtragem conforme necessário executando o código na seção de filtragem. Proceder com a normalização, seguida da correção da flutuação do feixe. Selecione a região de fundo da imagem, seguida de transmissão para atenuação.

Em seguida, execute a correção automática da inclinação da amostra calculando a inclinação usando o código e aplicando a correção de inclinação. Em seguida, execute a remoção de greve e o cálculo do centro de rotação. Em seguida, realize a reconstrução volumétrica e visualize os dados.

Salve os dados na pasta de número do projeto chamada Compartilhado. Em seguida, ative o software Amira no servidor de Análise de Instalações, carregue as fatias reconstruídas no software e prossiga com a visualização, filtragem e análise adicionais. Uma interface personalizada foi desenvolvida para guiar este protocolo experimental e minimizar o erro humano.

A interface logicamente se move através das etapas necessárias antes de medir uma amostra. A tomografia computadorizada de nêutrons, ou NCT, do fêmur de um rato com um implante de titânio é mostrada aqui. Obteve-se a TCN baseada em atenuação de falsa cor do fêmur e um corte diagonal através do osso para revelar o implante.

O implante não interage tanto com nêutrons quanto o material ósseo, por isso sua atenuação é mínima e parece mais escuro que o osso circundante. O osso trabecular, que está presente no espaço medular do fêmur, é claramente visível na extremidade proximal da amostra. A capacidade dos nêutrons de detectar espécimes de tecidos moles foi demonstrada em um pulmão de camundongo fixado em etanol.

O volume pulmonar reconstruído foi obtido a partir do TCN. Um corte através do lobo direito do pulmão é ilustrado aqui. Obteve-se também a representação volumétrica em falsa cor da raiz da planta e do sistema do solo em recipiente retangular de alumínio.

Apesar da baixa relação sinal-ruído, o sistema radicular no solo é claramente visível nos cortes verticais da amostra. É crucial avaliar o tamanho do pixel, para que as imagens gravadas possam ser retransmitidas para as dimensões físicas. A qualidade da reconstrução de volume 3D depende de uma boa amostragem seguindo o teorema de Nyquist.

Técnicas mais avançadas de imagem por nêutrons, como interferometria de graduação de nêutrons, podem ser realizadas após um procedimento semelhante. Esses novos métodos responderiam a questões, como a distribuição tridimensional da nanoporosidade em materiais porosos. A radiografia de nêutrons e a tomografia computadorizada têm amplo impacto científico.

Estas técnicas são de aplicação e o entendimento das baterias e seu mecanismo de falha. Comportamento de materiais avançados, como os impressos em 3D, arqueologia, biologia e melhor localização de tumores.