Принцип нейтронной радиографии (нР) основан на ослаблении нейтронов через материю, через которую они проходят. В отличие от рентгеновских лучей, которые рассеиваются электронным облаком атома, нейтроны могут поглощаться или рассеиваться его ядром. Нейтроны чувствительны к легким элементам, таким как водород (H), и, следовательно, могут использоваться для рентгенографии биологических применений, таких как животные 1,2,3,4,5,6,7 или ткани человека 8,9 и подземные почвенные/корневые системы 10,11,12,13,14 ,15. Нейтронная визуализация является дополнительным методом рентгеновской визуализации, который способен обнаруживать тяжелые элементы16,17,18. nR на основе затухания определяется линейными коэффициентами затухания материалов в образце и толщиной образца, как описано законом Бера-Ламберта, который гласит, что проходящий луч прямо пропорционален количеству материала и длине пути через материал. Таким образом, коэффициент пропускания, T, может быть рассчитан как:
(1)
где I, 0 и I, соответственно, интенсивность падающего и передаваемого луча; μ и x — линейный коэффициент затухания и толщина однородного образца соответственно. Коэффициент затухания μ определяется по формуле:
(2)
где σ — сечение затухания нейтронов образца (как рассеяние, так и поглощение), ρ — его плотность, NA — число Авогадро, M — молярная масса.
Контраст в рентгенографии биологических образцов с использованием нейтронов низких энергий (т.е. энергий ниже 0,5 эВ) в основном обусловлен изменением плотности H (для фиксированной толщины образца). Это связано с вероятностью взаимодействия нейтрона с ядром H, которая больше, чем с другими ядрами, присутствующими в биологических образцах, и тем фактом, что плотность атома H имеет первостепенное значение, поскольку он является наиболее распространенным атомом в биологических образцах.
С ранних стадий нР и нейтронная компьютерная томография (нКТ) широко использовались для материалов и инженерных применений 19,20,21,22,23. Первые демонстрационные эксперименты по нейтронной чувствительности к H в биологических образцах начались в середине 1950-х годов24 года с измерений образцов растений. Работа продолжалась в течение 1960-х годов, например, с рентгенографией грудной клеткичеловека 25 или крыс26, в которой изучалось использование контрастных веществ, таких как оксид гадолиния (Gd2O3). Более того, была выдвинута гипотеза о том, что контраст в опухолевой ткани человека по сравнению с нормальной тканью был обусловлен локальным увеличением содержания H. В ходе этих первоначальных испытаний был сделан вывод, что увеличение потока нейтронов и пространственного разрешения улучшит качество нР и, вероятно, повысит его популярность в качестве дополнительного метода для промышленных или биомедицинских применений. Самые последние исследования включают измерения nR и nCT, выполненные на образцахраковой ткани 1 и срезах органов животных 2,3,27 для биомедицинских и судебно-медицинских применений.
Расположенный в Национальной лаборатории Ок-Ридж, Ок-Ридж, штат Теннесси, высокопоточный изотопный реактор (HFIR) является мощным источником нейтронов, который производит нейтроны в результате реакции деления. Эти нейтроны имеют энергию порядка 2 МэВ и «охлаждаются» в бассейне реактора кинетическими реакциями с тяжелой водой до достижения энергий порядка 100-300 эВ. Оптимизация нейтронного эксперимента, будь то рассеяние или визуализация, начинается с понимания свойств источника нейтронов и линий пучка, таких как интенсивность пучка, распределение энергии и влияние фона (быстрые нейтроны, запаздывающие нейтроны, гамма-лучи). В холодном направляющем зале HFIR, где расположена линия луча изображения, нейтроны дополнительно «охлаждаются» кинетическим взаимодействием с жидким H-замедлителем. Затем они транспортируются в изогнутой направляющей системе вдали от прямой видимости источника, тем самым устраняя быстрые нейтроны и гамма-загрязнение. Как показано на рисунке 1, нейтронно-визуальный пучокCG-1D 28,29 размещен на холодном канале, подразумевая, что диапазон энергий нейтронов изменяется от нескольких мэВ до нескольких десятков эВ (в этом случае соответствующая полезная длина волны нейтрона колеблется от 0,8 до 10 Å) с потоком в диапазоне 107 н/(см2∙s) в положении образца. Моторизованная система апертуры/рассеивателя определяет геометрию точечного отверстия прибора для получения изображения. Нейтроны проходят расстояние 6,59 м в заполненной гелием (He) полетной трубе с алюминиевыми (Al) окнами на каждом конце. Полетные трубы используются для транспортировки нейтронов при ограничении рассеяния воздуха, так что потери интенсивности пучка минимальны. Для измерений, описанных в этой рукописи, рассеиватель изготовлен из нанопорошка оксида алюминия толщиной 50 нм толщиной 1 мм (Al2O3), заключенного в контейнер Al. Рассеиватель уменьшает артефакты пучка, исходящие от нейтроновода (которые увеличиваются за счет геометрии точечного отверстия линии луча изображения), в противном случае на рентгенограмме видны резкие горизонтальные и вертикальные колебания интенсивности, и нормализация данных становится сложной задачей. Для проиллюстрированных здесь экспериментов нейтроны преобразуются в свет с использованием фторида лития-6 / люминофора сульфида цинка толщиной 25мкм (6 LiF/ZnS:Ag).
Оптимизация коллимации зависит от положения образца к детектору, требуемого пространственного разрешения и времени регистрации. Когда образец находится на расстоянии нескольких см от сцинтиллятора, высокие коллимации (L/D выше 800, где L — расстояние от отверстия точечного отверстия диаметром, D и детектора) дают лучшее пространственное разрешение за счет потока нейтронов. Низкая коллимация (L/D ниже 800) предпочтительна для динамических исследований in situ, когда временное разрешение преобладает над пространственным разрешением. Для измерений, описанных в этой рукописи, L/D и пространственное разрешение составляли приблизительно 355 и 75 мкм соответственно. Временное разрешение варьировалось в зависимости от отношения сигнал/шум (SNR). Образец был расположен как можно ближе к сцинтиллятору, чтобы уменьшить геометрические искажения, такие как размытие. Доступны ступени перемещения и вращения для установки образца близко к детекторам и выполнения компьютерной томографии (КТ). CG-1D предлагает три типа детекторов: устройство с зарядовой связью (ПЗС) с разрешением 2048 x 2048 пикселей с шагом пикселя 13,5 мкм, научный детектор на основе комплементарного металл-оксидного полупроводника (sCMOS) с разрешением 2560 x 2160 пикселей с шагом пикселя 6,5 мкм и детектор с микроканальной пластиной (MCP)30,31 с разрешением 512 x 512 пикселей с размером пикселя 55 мкм. Рассеянные нейтроны поглощаются борным каучуком толщиной ~5 мм, чтобы защитить чип детектора от видения нейтронов. Это поглощение генерирует гамма-лучи, которые могут быть остановлены свинцом (Pb), помещенным между борным каучуком и детектором. Каждый детектор оптимизирован для разного поля зрения (FOV), а также пространственного и временного разрешения. Для измерений бедренной кости крысы и легких мыши использовался ПЗС-детектор из-за его большой возможности поля зрения (~ 7 см x 7 см) и разумного пространственного разрешения около 75 мкм. nCT корневой / почвенной системы растений была выполнена с помощью sCMOS, так как цель состояла в том, чтобы как можно быстрее получить nCT за счет FOV (который был ограничен ~ 5 см x 4,2 см); Таким образом, пространственное разрешение, очевидно, пострадало. В этих детекторах нейтроны либо превращаются в свет, либо в альфа-частицу для целей обнаружения. Вращение образца вокруг его вертикальной оси и получение рентгенограмм под последовательными углами поворота позволяет получать нКТ. 3-мерная объемная визуализированная модель исследуемого образца получена с использованием собственного блокнота Jupyter с фильтрованной обратной проекцией (FBP) на основе iMARS3D на основе python, pyMBIR или коммерческого программного обеспечения, описанного ниже.
Наконец, нейтроны, которые не взаимодействовали с образцом или детектором, собираются в положении остановки луча примерно в 1 м ниже по течению от детекторной системы, чтобы свести к минимуму фоновый шум. Ограничитель балки CG-1D имеет ширину 0,75 м, высоту 0,5 м и толщину 35 мм и изготовлен из эпоксидной смолы B4C. Ограничитель пучка армирован 10 мм 95% обогащенного карбоната лития (6 Li2CO3) в огнестойкой эпоксидной смоле, куда попадает нейтронный пучок, с полостью, облицованной 6Li, свинцом (Pb) и сталью, предназначенной для сдерживания высокой скорости вторичных гамма-лучей. Упор балки крепится непосредственно к стальной экранирующей стенке балки. Фотография линии луча CG-1D приведена на рисунке 2.
Три программы реконструкции были использованы для реконструкции трех экспериментальных данных в 3D соответственно. Реконструкция образца легкого мыши была выполнена с использованием Octopus32, коммерческого программного обеспечения для реконструкции, использующего FBP. Программное обеспечение Octopus находится на серверном ПК и может использоваться для восстановления данных, собранных на линии луча. Программное обеспечение для реконструкции под названием iMARS3D доступно в CG-1D. Он основан на открытом исходном коде TomoPY33 с дополнительными функциями, такими как автоматическая коррекция наклона, фильтры постобработки и т. д. iMARS3D включает в себя предварительную обработку данных (вычитание фона и шума), кадрирование, медианную фильтрацию (для коррекции гамма-ударов и битых пикселей), автоматическую коррекцию колебаний интенсивности луча и коррекцию наклона образца. После создания синограмм возможна дальнейшая обработка данных, такая как удаление кольцевых артефактов и сглаживание. Различные этапы реконструкции сохраняются на сервере анализа (а затем перемещаются в общую папку предложения), в то время как окончательные 2D-фрагменты сразу же сохраняются в общей папке предложения. Бедренная кость крысы была реконструирована с помощью iMARS3D. Образец корня / почвы растений был предварительно обработан путем медианной фильтрации данных с использованием TomoPY с последующей коррекцией оси наклона с использованием библиотеки Python SciPy. Реконструкция была выполнена с использованием разработанного собственными силами пакета python под названием pyMBIR (построенного с использованием ядер из набораинструментов ASTRA 34), который реализует набор томографических алгоритмов от базового FBP до передовых методов итеративной реконструкциина основе моделей 35, которые могут получать высококачественные реконструкции из чрезвычайно разреженных и зашумленных наборов нейтронных данных. Все визуализированные объемы, основанные на вышеупомянутых инструментах реконструкции, представлены в контрасте затухания. Вся визуализация была выполнена с использованием программного комплекса коммерческой визуализации, сегментации и анализа данных AMIRA36.
Целью данной рукописи является демонстрация процедуры использования нейтронной визуализации (nR и nCT) на линии пучка HFIR CG-1D. Это исследование также иллюстрирует современные возможности nR и nCT для биологических образцов, в частности, легких мыши, кости крысы и корневых/почвенных систем растений. Легкое мыши было выбрано, чтобы проиллюстрировать комплементарность нейтронов для измерения легочной ткани, тогда как рентгеновские лучи в основном чувствительны к костям. Образец кости, бедренная кость крысы, имел титановый (Ti) имплантат, что иллюстрирует контраст между костью и металлом, а также возможность увидеть границу раздела кость / металл (что трудно измерить с помощью рентгеновских лучей, поскольку металлы сильно ослабляют их4). Наконец, система водоснабжения растений и корней иллюстрирует трехмерную (3D) способность nCT измерять корневые / почвенные системы in situ. Кроме того, показаны преимущества/недостатки использования nR для биологических образцов. Очевидно, что этот метод может быть безопасно использован для измерения динамики воды в корневой системе растений, но не может рассматриваться как метод визуализации живых животных или человека из-за рисков, связанных с радиационным облучением, таким образом, ограничивая исследования либо (мертвыми) мышами, либо патологоподобными измерениями, в которых, например, образец ткани резецируется у пациента (животного или человека) и подготавливается путем фиксации перед измерением в нейтронном пучке.