Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للأنظمة البيولوجية في مفاعل النظائر عالي التدفق التابع لمختبر أوك ريدج الوطني

Published: May 7, 2021 doi: 10.3791/61688
Automatic Translation
*1, *2,3,4, *5, 6, 6, 1,7, 8, 1,9, 1, 9,10, 1
1Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory, 2College of Veterinary Medicine, The University of Tennessee, 3UT-ORNL Graduate School of Genome, Science and Technology, The University of Tennessee, 4Integrity Laboratories, 5Environmental Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory, 6Department of Cell & Molecular Medicine, Rush Medical College, Rush University, 7Computer Science and Mathematics Division, Oak Ridge National Laboratory, 8Electrification and Energy Infrastructures Division, Oak Ridge National Laboratory, 9Now at Second Target Station Project, Oak Ridge National Laboratory, 10Neutron Technologies Division, Oak Ridge National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

تصف هذه المخطوطة بروتوكولا للتصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للعينات البيولوجية باستخدام خط شعاع CG-1D لمفاعل النظائر عالي التدفق (HFIR) لقياس غرسة معدنية في عظم الفخذ ورئة الفأر ونظام جذر / تربة نبات عشبي.

Abstract

استخدمت النيوترونات تاريخيا لمجموعة واسعة من التطبيقات البيولوجية التي تستخدم تقنيات مثل تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة ، وصدى دوران النيوترون ، والحيود ، والتشتت غير المرن. على عكس تقنيات تشتت النيوترونات التي تحصل على المعلومات في الفضاء المتبادل ، يقيس التصوير النيوتروني القائم على التوهين إشارة في الفضاء الحقيقي يتم حلها بترتيب عشرات الميكرومترات. يتبع مبدأ التصوير النيوتروني قانون بير لامبرت ويستند إلى قياس توهين النيوترونات السائبة من خلال عينة. تظهر بعض العناصر الخفيفة توهين أكبر (أبرزها الهيدروجين) ، والتي تعد مكونات رئيسية للعينات البيولوجية. يمكن استخدام عوامل التباين مثل الديوتيريوم أو الجادولينيوم أو مركبات الليثيوم لتعزيز التباين بطريقة مماثلة كما هو الحال في التصوير الطبي ، بما في ذلك تقنيات مثل التصوير البصري والتصوير بالرنين المغناطيسي والأشعة السينية والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. بالنسبة للأنظمة البيولوجية ، تم استخدام التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب بشكل متزايد للتحقيق في تعقيد شبكة جذور النباتات تحت الأرض ، وتفاعلها مع التربة ، وديناميات تدفق المياه في الموقع. علاوة على ذلك ، تم استكشاف الجهود المبذولة لفهم تفاصيل التباين في عينات الحيوانات ، مثل الأنسجة الرخوة والعظام. تركز هذه المخطوطة على التقدم في التصوير الحيوي النيوتروني مثل تحضير العينات والأجهزة واستراتيجية الحصول على البيانات وتحليل البيانات باستخدام خط شعاع التصوير النيوتروني CG-1D لمفاعل النظائر عالي التدفق. سيتم توضيح القدرات المذكورة أعلاه باستخدام مجموعة مختارة من الأمثلة في فسيولوجيا النبات (نظام النبات / الجذر / التربة العشبي) والتطبيقات الطبية الحيوية (عظم الفخذ ورئة الفأر).

Introduction

يعتمد مبدأ التصوير الشعاعي النيوتروني (nR) على توهين النيوترونات من خلال المادة التي تجتازها. على عكس الأشعة السينية التي تنتشر بواسطة السحابة الإلكترونية للذرة ، يمكن امتصاص النيوترونات أو تشتيتها بواسطة نواتها. النيوترونات حساسة للعناصر الخفيفة ، مثل الهيدروجين (H) ، وبالتالي يمكن استخدامها للتصوير الشعاعي للتطبيقات البيولوجية مثل الحيوانات1،2،3،4،5،6،7 أو الأنسجة البشرية8،9 وأنظمة التربة / الجذر تحت الأرض 10،11،12،13،14، 15. التصوير النيوتروني هو تقنية مكملة للتصوير بالأشعة السينية ، وهو قادر على اكتشاف العناصر الثقيلة16،17،18. يخضع nR القائم على التوهين لمعاملات التوهين الخطي للمواد داخل العينة وسمك العينة ، كما هو موضح في قانون بير لامبرت ، الذي ينص على أن الحزمة المرسلة تتناسب طرديا مع كمية المادة وطول المسار عبر المادة. وبالتالي ، يمكن حساب النفاذية ، T ، على النحو التالي:

Equation 1(1)

حيث أنا0 وأنا ، على التوالي ، الحادث وشدة الحزمة المرسلة ؛ μ و x هما معامل التوهين الخطي وسمك عينة متجانسة ، على التوالي. يعطى معامل التوهين μ بالعلاقة:

Equation 2(2)

حيث σ هو المقطع العرضي لتوهين النيوترونات للعينة (كل من التشتت والامتصاص) ، و ρ هي كثافتها ، و NA هو رقم أفوجادرو ، و M هي كتلتها المولية.

يرجع التباين في التصوير الشعاعي للعينات البيولوجية باستخدام نيوترونات منخفضة الطاقة (أي طاقات أقل من 0.5 فولت) في الغالب إلى تغير في كثافة H (لسمك عينة ثابت). ويرجع ذلك إلى احتمال تفاعل النيوترون مع النواة H ، وهو أكبر من النوى الأخرى الموجودة في العينات البيولوجية ، وحقيقة أن كثافة ذرة H لها أهمية قصوى لأنها الذرة الأكثر وفرة في العينات البيولوجية.

منذ مراحله المبكرة ، تم استخدام nR والتصوير المقطعي المحوسب النيوتروني (nCT) على نطاق واسع للمواد والتطبيقات الهندسية19،20،21،22،23. بدأت التجارب التجريبية الأولى لحساسية النيوترون ل H في العينات البيولوجية في منتصف خمسينيات القرن العشرين24 مع قياسات العينات النباتية. استمر العمل خلال ستينيات القرن العشرين مع ، على سبيل المثال ، التصوير الشعاعي لصدر الإنسان25 أو الفئران26 ، حيث تم استكشاف استخدام عوامل التباين ، مثل أكسيد الجادولينيوم (Gd2O3). علاوة على ذلك ، تم افتراض أن التباين في أنسجة الورم البشري مقابل الأنسجة الطبيعية كان بسبب زيادة محلية في محتوى H. خلال هذه التجارب الأولية ، استنتج أن زيادة تدفق النيوترونات والاستبانة المكانية من شأنها تحسين جودة nR ومن المرجح أن تزيد من شعبيتها كتقنية تكميلية للتطبيقات الصناعية أو الطبية الحيوية. تشمل أحدث الدراسات قياسات nR و nCT التي أجريت على عينات الأنسجة السرطانية1 وأقسام الأعضاء الحيوانية2،3،27 للتطبيقات الطبية الحيوية والطب الشرعي.

يقع مفاعل النظائر عالية التدفق (HFIR) في مختبر أوك ريدج الوطني ، أوك ريدج ، تينيسي ، وهو مصدر نيوتروني قوي ينتج نيوترونات عن طريق تفاعل الانشطار. هذه النيوترونات لها طاقات في حدود 2 MeV ويتم "تبريدها" في حوض المفاعل عن طريق التفاعلات الحركية مع الماء الثقيل للوصول إلى طاقات في حدود 100-300 eV. يبدأ تحسين تجربة النيوترونات ، سواء كانت تشتت أو تصوير ، بفهم مصدر النيوترون وخصائص خط الحزمة مثل شدة الحزمة وتوزيع الطاقة وتأثير الخلفية (النيوترونات السريعة والنيوترونات المتأخرة وأشعة جاما). في قاعة التوجيه البارد HFIR حيث يوجد خط شعاع التصوير ، يتم "تبريد" النيوترونات بشكل أكبر عن طريق التفاعلات الحركية مع وسيط H السائل. ثم يتم نقلها في نظام توجيه منحني بعيدا عن خط رؤية المصدر ، وبالتالي القضاء على النيوترونات السريعة وتلوث جاما. كما هو موضح في الشكل 1 ، يتم وضع خط شعاع التصوير النيوتروني CG-1D28,29 على دليل بارد ، مما يعني أن نطاق طاقة النيوترون يختلف من بضعة meV إلى بضع عشرات من eV (في هذه الحالة ، يتراوح الطول الموجي النيوتروني القابل للاستخدام المقابل من 0.8 إلى 10 Å) مع تدفق في نطاق 107 n / (سم2∙s) في موضع العينة. يحدد نظام الفتحة / الناشر الميكانيكي هندسة الثقب لأداة التصوير. تنتقل النيوترونات مسافة 6.59 m في أنبوب طيران مملوء بالهيليوم (He) مع نوافذ من الألومنيوم (Al) في كل طرف. تستخدم أنابيب الطيران لنقل النيوترونات مع الحد من تشتت الهواء بحيث يكون الفقد في شدة الحزمة ضئيلا. بالنسبة للقياسات الموصوفة في هذه المخطوطة ، فإن الناشر مصنوع من مسحوق نانو أكسيد الألومنيوم بسمك 1 مم 50 نانومتر (Al2O3) مغطى في حاوية Al . يقلل الناشر من القطع الأثرية للحزمة القادمة من دليل النيوترون (والتي يتم تكبيرها بواسطة هندسة الثقب لخط شعاع التصوير) ، وإلا فإن تقلبات الشدة الأفقية والرأسية الحادة مرئية في الصورة الشعاعية ويصبح تطبيع البيانات أمرا صعبا.   بالنسبة للتجارب الموضحة هنا ، يتم تحويل النيوترونات إلى ضوء باستخدام فوسفور فلوريد الليثيوم 6 / كبريتيد الزنك بسمك 25 ميكرومتر (6LiF / ZnS: Ag).

يعتمد تحسين الموازاة على موضع العينة إلى الكاشف ، والدقة المكانية المطلوبة ، ووقت الاستحواذ. عندما تجلس العينة على بعد بضعة سنتيمترات من الوميض ، فإن الموازاوات العالية (L / D فوق 800 ، حيث L هي المسافة من فتحة الثقب للقطر ، D ، والكاشف) تنتج دقة مكانية أفضل على حساب تدفق النيوترونات. يفضل الموازاة المنخفضة (L / D أقل من 800) للدراسات الديناميكية في الموقع عندما تسود دقة الوقت على الاستبانة المكانية. بالنسبة للقياسات الموصوفة في هذه المخطوطة ، كان L / D والدقة المكانية حوالي 355 و 75 ميكرومتر ، على التوالي. اختلفت الدقة الزمنية بناء على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). تم وضع العينة بالقرب من الوميض قدر الإمكان لتقليل التشوه الهندسي مثل التعتيم. تتوفر مراحل الترجمة والتناوب لضبط العينة بالقرب من أجهزة الكشف وإجراء التصوير المقطعي المحوسب (CT). تقدم CG-1D ثلاثة أنواع من أجهزة الكشف: جهاز مقترن بالشحن (CCD) بدقة 2048 بكسل × 2048 بكسل مع درجة بكسل تبلغ 13.5 ميكرومتر ، وكاشف علمي تكميلي لأشباه الموصلات المعدنية (sCMOS) بدقة 2560 بكسل × 2160 بكسل مع درجة بكسل تبلغ 6.5 ميكرومتر ، وكاشف لوحة قناة دقيقة (MCP)30,31 مع 512 بكسل × 512 بكسل بحجم بكسل 55 ميكرومتر. يتم امتصاص النيوترونات المتناثرة بمطاط البورون بسمك ~ 5 مم لحماية رقاقة الكاشف من رؤية النيوترونات. يولد هذا الامتصاص أشعة جاما التي يمكن إيقافها بواسطة الرصاص (Pb) الموجود بين مطاط البورون والكاشف. تم تحسين كل كاشف لمجال رؤية مختلف (FOV) بالإضافة إلى الدقة المكانية والزمنية. بالنسبة لقياسات عظم الفخذ ورئة الفأر ، تم استخدام كاشف CCD لقدرته الكبيرة على مجال الرؤية (~ 7 سم × 7 سم) والدقة المكانية المعقولة التي تبلغ حوالي 75 ميكرومتر. تم إجراء nCT لنظام جذر النبات / التربة باستخدام sCMOS ، حيث كان الهدف هو الحصول على nCTs في أسرع وقت ممكن على حساب مجال الرؤية (الذي كان يقتصر على ~ 5 سم × 4.2 سم) ؛ وبالتالي ، من الواضح أن الدقة المكانية قد عانت. في هذه الكواشف ، يتم تحويل النيوترونات إما إلى ضوء أو جسيم ألفا لأغراض الكشف. يسمح تدوير العينة حول محورها الرأسي والحصول على صور شعاعية بزوايا دوران متتالية بالحصول على nCT. يتم الحصول على النموذج الحجمي ثلاثي الأبعاد للعينة قيد التحقيق من خلال استخدام دفتر الملاحظات الداخلي Jupyter القائم على الثعبان القائم على الثعبان (FBP) أو pyMBIR أو برنامج تجاري ، وكلها موصوفة أدناه.

أخيرا ، يتم تجميع النيوترونات التي لم تتفاعل مع العينة أو الكاشف في وضع توقف الحزمة على بعد حوالي 1 متر في اتجاه مجرى النهر من نظام الكاشف لتقليل ضوضاء الخلفية. يبلغ عرض محطة الشعاع CG-1D 0.75 مترا وارتفاعها 0.5 مترا وسمكها 35 مم ومصنوعة من B4C في الإيبوكسي. يتم تعزيز توقف الحزمة ب 10 مم من كربونات الليثيوم المخصبة بنسبة 95٪ (6 Li2CO3) في إيبوكسي مقاوم للحريق حيث يضرب شعاع النيوترون ، مع تجويف مبطن ب 6Li والرصاص (Pb) والفولاذ المصمم لاحتواء المعدل العالي لأشعة جاما الثانوية. يتم توصيل توقف الشعاع مباشرة بجدار التدريع الفولاذي لخط الشعاع. صورة لخط شعاع CG-1D موضحة في الشكل 2.

تم استخدام ثلاثة برامج إعادة بناء لإعادة بناء البيانات التجريبية الثلاثة في 3D ، على التوالي. تم إجراء إعادة بناء عينة رئة الفأر باستخدام Octopus32 ، وهو برنامج إعادة بناء تجاري يستخدم FBP. يجلس برنامج الأخطبوط على جهاز كمبيوتر الخادم ويمكن استخدامه لإعادة بناء البيانات التي تم جمعها في خط الشعاع. يتوفر برنامج إعادة الإعمار ، المسمى iMARS3D ، في CG-1D. يعتمد على الكود مفتوح المصدر TomoPY33 مع ميزات إضافية مثل تصحيح الإمالة الآلي ومرشحات ما بعد المعالجة وما إلى ذلك. يتضمن iMARS3D المعالجة المسبقة للبيانات (طرح الخلفية والضوضاء) ، والاقتصاص ، والترشيح الوسيط (لتصحيح ضربات جاما والبكسل الميت) ، وتصحيح تذبذب شدة الحزمة الآلي وتصحيح إمالة العينة. بمجرد إنشاء sinograms ، تعد معالجة البيانات الإضافية مثل إزالة القطع الأثرية الحلقية وتنعيمها خيارا. يتم حفظ الخطوات المختلفة لإعادة البناء على خادم التحليل (ويتم نقلها لاحقا في المجلد المشترك للاقتراح) ، بينما يتم تخزين شرائح 2D النهائية على الفور في مجلد الاقتراح المشترك. أعيد بناء عظم الفخذ باستخدام iMARS3D. تمت معالجة عينة جذر النبات / التربة مسبقا عن طريق تصفية البيانات المتوسطة باستخدام TomoPY متبوعة بتصحيح محور الميل باستخدام مكتبة SciPy الخاصة ب Python.  تم تنفيذ إعادة الإعمار باستخدام حزمة بيثون تم تطويرها داخليا تسمى - pyMBIR (تم إنشاؤها باستخدام حبات من صندوق أدوات ASTRA34) والتي تنفذ مجموعة من الخوارزميات المقطعية من خط الأساس FBP إلى تقنيات إعادة البناء التكرارية المتقدمة القائمة على النموذج35 التي يمكنها الحصول على عمليات إعادة بناء عالية الجودة من مجموعات بيانات نيوترونية متفرقة للغاية وصاخبة. يتم تمثيل جميع وحدات التخزين المقدمة بناء على أدوات إعادة الإعمار المذكورة أعلاه في تباين التوهين. تم تنفيذ جميع التصورات باستخدام حزمة برامج التصور التجاري والتجزئة وتحليل البيانات AMIRA36.

تهدف هذه المخطوطة إلى توضيح إجراءات استخدام التصوير النيوتروني (nR و nCT) في خط شعاع HFIR CG-1D. توضح هذه الدراسة أيضا أحدث قدرات nR و nCT الحالية للعينات البيولوجية ، وتحديدا رئة الفأر ، وعظم الفئران ، وأنظمة جذر / تربة النبات. تم اختيار رئة الفأر لتوضيح تكامل النيوترونات لقياس أنسجة الرئة ، في حين أن الأشعة السينية حساسة في الغالب للعظام. كانت عينة العظام ، عظم الفخذ ، تحتوي على غرسة من التيتانيوم (Ti) ، مما يوضح التباين بين العظم والمعدن ، وفرصة رؤية واجهة العظام / المعدن (التي يصعب قياسها بالأشعة السينية لأن المعادن تخففها بشدة4). أخيرا ، يوضح نظام مياه جذور النبات القدرة ثلاثية الأبعاد (3D) ل nCT لقياس أنظمة الجذر / التربة في الموقع. بالإضافة إلى ذلك ، يوضح مزايا / عيوب استخدام nR للعينات البيولوجية. من الواضح أنه يمكن استخدام هذه الطريقة بأمان لقياس ديناميكيات المياه في نظام جذر النبات ولكن لا يمكن اعتبارها تقنية تصوير حيوانية حية أو بشرية بسبب المخاطر المرتبطة بالتعرض للإشعاع ، وبالتالي قصر الدراسات على الفئران (الميتة) أو القياسات الشبيهة بعلم الأمراض حيث ، على سبيل المثال ، يتم استئصال عينة الأنسجة من مريض (أو إنسان) وإعدادها عن طريق التثبيت قبل قياسها في حزمة نيوترونية.

Protocol

1. إعداد الأداة (انظر الشكل 3 ، القسم 3)

  1. على كمبيوتر خط الشعاع ، افتح نافذة طرفية ، واكتب css ، ثم اضغط على Enter لتشغيل واجهة المستخدم.
  2. إذا لم يتم فتحه بشكل افتراضي، فاختر خيار الصفحة الرئيسية للمستخدم في علامة تبويب القائمة لفتح واجهة تصوير نظام التحكم التجريبي والصناعي (EPICS).
  3. باستخدام علامة التبويب الأولى (تسمى Proposal / Camera / SE Device) للواجهة ، حدد بصريات خط الشعاع بالنقر فوق الزر البصري بجوار الكاميرا / أجهزة الكشف ، أي حجم فتحة الثقب وفتح نظام الشق بالنقر فوق الزر الشقوق .
  4. قم بتثبيت مرحلة الدوران على مراحل XY ، حيث سيتم وضع العينة ، ووضع الكاشف (sCMOS أو CCD).
    1. بالنسبة لكاشف CCD أو sCMOS ، حدد العدسة ذات التكبير الذي يوفر الدقة المكانية والبعد البؤري المطلوبين ، بالتشاور مع فريق الجهاز. باستخدام الضوء أولا ، ركز الكاميرا إما عن طريق تحريك الكاشف أقرب أو أبعد من المرآة ، أو عن طريق ضبط العدسة يدويا في موضع كاشف ثابت. ركز الصورة على موقع وميض النيوترونات.
    2. بالنسبة لكاشف CCD أو sCMOS ، قم بضبط تركيز العدسة باستخدام النيوترونات باستخدام قناع دقة ممتص للنيوترونات37 يوضع مقابل وميض الكاشف. اجمع الصور الشعاعية المتتالية باستخدام إعدادات مختلفة (على سبيل المثال ، مواضع كاشف مختلفة من المرآة الآلية عن طريق تحريك محرك الكاشف في EPICS).
    3. قارن الصور الشعاعية عن طريق تقييم أزواج الخطوط في ImageJ / Fiji39 أو أداة برمجية صور مماثلة.
  5. عند الاقتضاء ، قم بتأمين العينة في حاوية مناسبة (حاوية Al و / أو رقائق Al شديدة التحمل) ، مع وضع العينة في مرحلة الدوران في أقرب مكان ممكن من الكاشف. قم بحماية الكاشف والمعدات باستخدام التدريع النيوتروني (مطاط البورون) وجاما (طوب الرصاص).
  6. قم بقياس المسافة من العينة إلى الكاشف ، وقم بإزالة العينة. استبدله بقناع الدقة لتقييم حجم البكسل في موضع العينة في تكوين خط الشعاع هذا. باستخدام بعد معلم معروف، قم بتقييم عدد وحدات البكسل عبر المعلم لتحديد حجم البكسل.
  7. أعد وضع العينة في مرحلة الدوران.
  8. باستخدام واجهة EPICS وعلامة التبويب محاذاة العينة ، قم بمحاذاة العينة مع الحزمة النيوترونية عن طريق أخذ صور شعاعية سريعة متتالية (مللي ثانية إلى 1 ثانية) أثناء تحرك العينة حتى تصبح في وضع الرؤية الكاملة للكاشف. احفظ ملف محاذاة العينة كملف .csv، والذي سيتم إعادة استخدامه قبل بدء الفحص بالتصوير المقطعي المحوسب.
  9. قبل بدء الفحص بالتصوير المقطعي المحوسب ، استخدم خيار فحص المحاذاة المقطعي المحوسب التلقائي (في علامة التبويب المحاذاة ) للتحقق من بقاء العينة في مجال الرؤية بزوايا مختلفة من خلال تقييم الصور الشعاعية أثناء توليدها في اتجاهات عينة مختلفة مع الحزمة.

2. إعداد العينات واستراتيجية الحصول على البيانات

ملاحظة: تمت الموافقة على بروتوكولات عينات الحيوانات من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية بجامعة تينيسي لرئة الفأر ولجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسية التابعة للمركز الطبي بجامعة راش لعظم الفخذ.

  1. عظم الفخذ الفئران
    1. زرع قضبان Ti6Al4V (قطرها 1.5 مم وطولها 15 مم) في عظم الفخذ لذكور فئران Sprague-Dawley ، ووضعها داخل الفضاء داخل النخاع من خلال اللقمات الفخذية البعيدة.
    2. التضحية بالفئران بعد 12 أسبوعا ، وحصاد عظم الفخذ. قم بإزالة جميع الأنسجة الرخوة (التي تساهم في توهين النيوترونات) ، وقم بتجميد عظم الفخذ بغرسات في شاش منقوع بالمحلول الملحي. اغمر إسفنج الشاش المربع مقاس 2 بوصة بالكامل في محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) ، ولف كل عينة بالكامل في هذه الإسفنجات المنقوعة (انظر جدول المواد).
    3. قم بإذابة عظم الفخذ إلى درجة حرارة الغرفة لإجراء فحوصات التصوير المقطعي المحوسب القائمة على الأشعة السينية38 ، قبل نقلها في حالة مجمدة إلى HFIR.
      1. قبل التصوير المقطعي المحوسب ، قم بإعادة إذابة العينة وإحضارها إلى درجة حرارة الغرفة في مختبر HFIR Biohazard Safety Level 2 (BSL2) الواقع بالقرب من خط شعاع التصوير النيوتروني CG-1D. بمجرد الوصول إلى درجة حرارة الغرفة ، لف العينة بورق Al شديد التحمل وضعها في أسطوانة Al .
      2. ضع الأسطوانة عموديا على مرحلة الدوران عند خط الشعاع ، وامسح عظم الفخذ عند خط الشعاع في درجة حرارة الغرفة من 0 إلى 360 درجة ، بزاوية خطوة 0.25 درجة. الحصول على كل صورة شعاعية لمدة 50 ثانية.
        ملاحظة: بالنظر إلى الوقت الميت لحركة مرحلة الدوران ونقل كل صورة شعاعية من CCD إلى كمبيوتر الحصول على البيانات ، كان الوقت الإجمالي للمسح حوالي 24 ساعة.
    4. بمجرد اكتمال التصوير المقطعي المحوسب والتصريح بإزالة العينة من خط الشعاع ، أعد العينة إلى مختبر BSL2 ، وقم بإزالة الاحتواء ، وأعد تجميد العينة للحفاظ عليها لمزيد من القياسات التجريبية.
  2. رئتي الفأر
    1. استئصال أنسجة الرئة من فأر ميت يستخدم في تجارب لا علاقة لها بهذه الدراسة. ثبت العينة في محلول يحتوي على 70٪ من الإيثانول قبل تجارب النيوترونات.
    2. لف المنديل بورق Al شديد التحمل وانقله من مختبر BSL2 مباشرة إلى خط شعاع CG-1D. أدخل العينة في أسطوانة Al للاحتواء المزدوج وللحفاظ على موضع العينة في الحزمة أثناء فحص التصوير المقطعي المحوسب.
    3. ضع العينة بالقرب من CCD ، وقم بإجراء الفحص طوال الليل في درجة حرارة الغرفة.
      ملاحظة: كانت كل صورة شعاعية 150 ثانية ، وكانت زاوية خطوة الدوران 0.5 درجة ، من 0 إلى 182 درجة. كان الوقت الإجمالي للفحص حوالي 16 ساعة.
  3. جذر النبات العشبي / نظام التربة
    ملاحظة: كما هو الحال مع العينات البيولوجية الأخرى ، فإن أنظمة التربة النباتية محدودة الحجم بسبب التوهين القوي للهيدروجين ، وخاصة الماء في التربة أو جذور النباتات. يمكن زرع البذور أو الراميت في حاويات (Al أو الكوارتز - كلاهما يحتوي على مقاطع عرضية منخفضة التوهين النيوتروني) ، أو يمكن زرع نبات أكثر نضجا في وعاء.
    1. قم بحفر وزرع عشب محلي ينمو في الموقع بعناية (هنا ، أعشاب التوت (Fatoua villosa (Thunb.) ناكاي) في حاوية Al ذات مقطع عرضي 2.38 سم × 2.58 سم ، وارتفاع 6.3 سم ، وسمك جدار 0.055 سم ، وتحتوي على رمل نقي (SiO2).
    2. اشطف جذور النباتات بالماء منزوع الأيونات ، واعرضها بعناية داخل حاوية Al أثناء ملء الحاوية بملاط من الرمل الرطب.
      ملاحظة: عند ملء الحاويات بالتربة ، من المهم استخدام التربة الرطبة ، حيث ستنفصل التربة الجافة حسب حجم الجسيمات وتخلق قطعا أثرية تركيبية في الحاويات12,13.
    3. بعد الزراعة ، قم بقياس الوزن المشبع لنظام النبات ، وقم بوزن نظام النبات كل يوم لتقييم معدل استخدام المياه. ضع الماء إما على السطح العلوي للتربة أو من خلال منفذ أو ثقب في قاع الحاوية باستخدام أنبوب أو حقنة.
      ملاحظة: هنا ، تم وضع نظام النبات على ميزان ، وتم تطبيق الماء على القمة كل يوم ليحل محل الاستخدام اليومي للمياه على أساس الوزن. يمكن حجب الماء قبل التصوير لتقليل محتوى الماء في التربة وتعزيز التباين في الجذور.
    4. نشر نظام النبات في غرفة نمو في الموقع مع التحكم في درجة الحرارة والضوء12. الحفاظ على نظام النبات لمدة 1 أسبوع قبل التصوير للسماح لتأقلم جذر النبات مع حاوية Al .
      ملاحظة: بمجرد بدء التصوير ، لا تسقي النبات.
    5. قم بإجراء فحوصات nCT في ~ 1.75 ساعة لكل منها ، وقم بالمسح المستمر على مدار 2.5 يوم لرسم خريطة للتغيرات الديناميكية ثلاثية الأبعاد في التربة ومحتوى المياه النباتية. بالنسبة لهذه القياسات ، قم بتقليل الدقة المكانية إلى بضع مئات من الميكرومتر لصالح دقة الوقت (أي وقت اكتساب أسرع لكل إسقاط).
      ملاحظة: تم إجراء كل فحص بالأشعة المقطعية بزاوية دوران تبلغ 0.93 درجة ووقت اكتساب يبلغ 10 ثوان لكل إسقاط. لغرض هذه المخطوطة ، يتم تقديم أول فحص بالأشعة المقطعية فقط.

3. الحصول على البيانات

ملاحظة: يستخدم نظام الحصول على البيانات في CG-1D برنامج EPICS40. تم تطوير EPICS لتوجيه البروتوكول التجريبي وتقليل الخطأ البشري. تخطو هذه الواجهة منطقيا عبر الخطوات الضرورية المختلفة قبل قياس العينة ، كما هو موضح في الشكل 3.  بروتوكول الحصول على بيانات EPICS هو كما يلي (الشكل 3). يوفر القسم الأيسر حالة التجربة الجارية ، جنبا إلى جنب مع المواضع الحركية وتفاصيل التجربة (معلومات العينة ورقم الاقتراح وأعضاء الفريق). ترتبط كل تجربة برقم مقترح وعينة واحدة أو عدة عينات. تتوفر أيضا معلومات الاقتراح مثل أعضاء الفريق واسم العينة المحدد على الجانب الأيمن (علامة التبويب الأولى المسماة "جهاز الاقتراح / الكاميرا / عينة البيئة"). يتألف القسم الأوسط من الصورة الشعاعية الحالية مع شريط مقياس نطاق ديناميكي على الجانب ، جنبا إلى جنب مع معلومات الحالة والسجل أسفل الصورة.

  1. حدد علامة تبويب EPICS الأولى بعنوان الاقتراح / الكاميرا / جهاز SE. انقر فوق الزر تبديل الاقتراح أو العينة . حدد رقم المشروع ونموذج المعرف# ليتم قياسهما في قائمة المقترحات (يسار) والعينة (يمين) التي حلت محل علامة التبويب السابقة.
  2. استخدم سهم الرجوع للعودة إلى واجهة EPICS الرئيسية. حدد الكاشف المراد استخدامه (sCMOS أو CCD) عن طريق اختيار أحد أجهزة الكشف الأربعة المتاحة (Andor CCD أو Andor sCMOS أو SBIG CCD أو MCP) في قائمة خيارات الكاميرا/الكاشف.
    ملاحظة: يستخدم SBIG CCD للاختبار بواسطة الأداة ويمكن تجاهله في هذه المخطوطة.
  3. حدد مرحلة التدوير المراد استخدامها في قسم جهاز بيئة العينة .
    1. أولا ، انقر فوق مرحلة الدوران (التصوير المقطعي المحوسب) في قائمة أجهزة بيئة العينة . ثم حدد إحدى مراحل الدوران (التي تتوافق مع العينة المراد مسحها ضوئيا).
  4. أخيرا ، في الجزء السفلي من علامة التبويب ، حدد وضع الحصول على البيانات. في هذه الحالة ، حدد الخيار الأول ، شعاع أبيض.
    ملاحظة: طريقة الاكتساب هي إما شعاع أبيض (يأخذ النطاق الكامل للطول الموجي النيوتروني) أو أحادي اللون عند خط شعاع CG-1D.
  5. حدد علامة التبويب EPICS الثانية بعنوان محاذاة العينة. اكتب نموذج اسم ملف، واضغط على Enter. كرر العملية لاسم المجلد الفرعي.
    ملاحظة: تمت برمجة واجهة EPICS لحفظ البيانات تلقائيا في الدلائل التجريبية المناسبة ، والتي يستخدمها برنامج إعادة الإعمار الداخلي لإنتاج شرائح ثنائية الأبعاد (2D) من الكائن ثلاثي الأبعاد قيد التحقيق. تسمح علامة التبويب الثانية ، Align Sample ، بمحاذاة العينة باستخدام الصور الشعاعية التي تستغرق بضع ثوان فقط حيث لا يتم استخدام هذه الصور الشعاعية لاحقا لمعالجة البيانات وتحليلها. بمجرد وضع جميع المحركات بشكل صحيح ، يمكن حفظ مواقعها بتنسيق ملف .csv ؛ وبالتالي ، فإن كل محاذاة عينة لها ملف .csv المقابل لها والذي يمكن استدعاؤه مرة أخرى لوضع العينات للأشعة المقطعية في وقت لاحق.
  6. تخطي محاذاة المحركات الثلاثة ، أي افترض أن العينة محاذاة وجاهزة للتصوير المقطعي. حدد وقت الاستحواذ المطلوب ، وانقر فوق الزر "التقاط صور سريعة ". اجمع سلسلة من الصور الشعاعية بأوقات اكتساب مختلفة لتقييم نسبة الإشارة إلى الذكورة.
  7. افتح ImageJ/Fiji; قم بسحب وإسقاط الصور الشعاعية المختلفة. ارسم ملفا شخصيا ينتقل من العينة إلى منطقة مفتوحة ؛ تقييم نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).
  8. إذا تم تعيين عينات متعددة على مرحلة XY (مراحل دوران متعددة ، كل منها لعينة واحدة) ، فقم بتسجيل كل موضع عينة بعد المحاذاة ، واحفظ البيانات كملف .cvs بالنقر فوق الزر حفظ في ملف .
  9. حدد علامة التبويب EPICS الثالثة بعنوان جمع البيانات لإعداد معلمات التصوير المقطعي المحوسب. اكتب اسم ملف في السطر الأول القابل للكتابة، واضغط على Enter. كرر لاسم المجلد الفرعي.
    ملاحظة: يعتمد تخطيط علامة التبويب " جمع البيانات" على اختيار سلسلة من الصور الشعاعية المنقضية (بدون SE) أو التصوير المقطعي المحوسب (اختيار مرحلة الدوران) في علامة التبويب الأولى.
  10. في القسم محاذاة العينة باستخدام الملف المحفوظ ، حدد الملف الذي سجل مسبقا مواضع محرك العينة (الخطوة 1.8). استخدم الملفات المحفوظة مؤخرا لاستعراض ملفات محاذاة العينة المحفوظة مؤخرا . انقر فوق محاذاة باستخدام ملف لجعل العينة تعود إلى موضعها في الحزمة النيوترونية.
  11. احسب عدد الإسقاطات المطلوبة للتصوير المقطعي المحوسب بناء على نظرية أخذ العينات ل Nyquist. احسب عدد وحدات البكسل عبر البعد الأفقي للعينة ، واضربها في 1.5 للحصول على عدد الإسقاطات المطلوبة لتحقيق أخذ عينات Nyquist.
  12. أدخل زاوية بدء التدوير (عادة 0 درجة) ، وزاوية نهاية الدوران (عادة 180 درجة) ، وحجم خطوة التدوير ، وعدد الصور لكل خطوة (عادة ما يتم ضبطها على 1) ، ووقت التعرض لكل صورة. ابدأ الفحص بالأشعة المقطعية بالنقر فوق الزر "جمع البيانات ".

4. إعادة بناء الحجم ومعالجة / تحليل البيانات

ملاحظة: تتوفر جميع أدوات برامج CG-1D لتطبيع البيانات وإعادة بنائها وتحليلها على مستودع Python الخاص بمنشأة ORNL وعلى خوادم تحليل المنشأة. بالنسبة لقياسات 2D ، يمكن إجراء المعالجة المسبقة باستخدام دفاتر Jupyter Python41. يوجد رسم توضيحي لدفتر ملاحظات في الشكل 4. يمكن للمرء تحميل ومعاينة بياناته قبل اختيار منطقة الاهتمام خارج العينة المستخدمة لتطبيع إرسال أي تذبذب في الحزمة إلى 1 (أو 100٪). يمكن تكييف أجهزة الكمبيوتر المحمولة هذه مع كل قياس ، مما يجعل المعالجة المسبقة جهدا مباشرا. علاوة على ذلك ، يمكن إجراء تحليل 2D في نفس دفتر الملاحظات مثل تتبع التغيرات الحركية (أي امتصاص الماء في العينة) في عينة عبر الزمن.

  1. قم بتسجيل الدخول إلى خادم تحليل Linux باستخدام اسم المستخدم وكلمة المرور. افتح مستعرض الويب، واكتب jupyter.sns.gov.
  2. افتح دفتر ملاحظات Python Jupyter المسمى iMARS3D. قم بتشغيل الأسطر القليلة الأولى من التعليمات البرمجية (التي تقوم بتحميل الأدوات اللازمة لتشغيل iMARS3D). تحميل البيانات والحقل المسطح والمظلم. تحقق من تحميل كافة مجموعات البيانات الثلاثة بشكل صحيح.
  3. تابع اقتصاص البيانات والتصفية (حسب الضرورة) والتطبيع (مع تصحيح إمالة العينة تلقائيا) وإعادة البناء الحجمي (عملية طويلة). احفظ البيانات في مجلد رقم المشروع المسمى مشترك. بعد تشغيل AMIRA36 ، والذي يتوفر أيضا على خوادم تحليل المنشأة ، قم بتحميل الشرائح المعاد بناؤها في البرنامج ، وتابع التصور والتصفية الإضافية والتحليل.

Representative Results

الشكل 5 أ هو صورة لعظم الفخذ التمثيلي للفئران بحجم مماثل للحجم الذي تم قياسه. يمثل الشكل 5B ، C التصوير المقطعي المحوسب لعظم الفخذ مع غرسة Ti. يوضح الشكل 5B التصوير المقطعي المحوسب القائم على توهين اللون الزائف لعظم الفخذ ، بينما يمثل الشكل 5C قطعا قطريا عبر العظم بنفس الاتجاه كما في الشكل 5B للكشف عن غرسة Ti (بمقياس رمادي) تشبه التصوير المقطعي المحوسب الطبي بالأشعة السينية. هذه الغرسة لا تتفاعل مع النيوترونات بقدر ما تتفاعل مع مادة العظام. وبالتالي ، فإن توهينه هو الحد الأدنى ، ويبدو أغمق (أي أقل توهينا) من العظم المحيط. العظم التربيقي ، الموجود داخل الحيز النخاعي لعظم الفخذ ، مرئي بوضوح في الطرف القريب من العينة (الأسهم الحمراء في الشكل 5B).

يوضح الشكل 6 أ ، ب صورا تمثيلية لرئة الفأر المثبتة بالإيثانول ، في موقعين مختلفين ، تستخدم ل nCT لإثبات قدرة النيوترونات على اكتشاف عينات الأنسجة الرخوة. يظهر الحجم المعاد بناؤه لرئة الفأر التي تم الحصول عليها من nCT في الشكل 6C ، D ، في وضع مماثل للشكل 6A ، B. يوضح الشكل 6 ه قطعا عبر الفص الأيمن للرئة. على الرغم من الحجم الصغير نسبيا للعينة ، تظهر حساسية النيوترون بوضوح من خلال الكشف عن بنية الرئة بدقة مكانية ~ 75 ميكرومتر. كما هو متوقع ، فإن نطاق التوهين واسع جدا ، حيث يتوافق جزء كبير مع توهين نيوتروني منخفض إلى متوسط لأن الرئتين لهما بنية تشبه الإسفنج تحتوي على هواء.

يوضح الشكل 7 أ صورة لعينة النبات ، بينما يمثل الشكل 7 ب التجسيد الحجمي اللوني الزائف لنظام جذر النبات / التربة في حاوية Al مستطيلة الشكل (وهي غير مرئية لأن Al شفاف في الغالب للنيوترونات). بالمقارنة مع مجموعات البيانات السابقة ، فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء أضعف ، كما هو متوقع ، حيث تم الحصول على البيانات بشكل أسرع لتتبع الحركات الديناميكية لامتصاص الماء في الجذر في 3D على مدار 2.5 يوم. وبالتالي ، تم تحسين كل فحص بالأشعة المقطعية ليتم قياسه في نافذة ~ 1.75 ساعة. على الرغم من ضعف نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، فإن نظام الجذر في التربة مرئي بوضوح في القطع الرأسية للعينة المعروضة في الشكل 7C ، D بلون زائف.

Figure 1
الشكل 1: رسم تخطيطي لخط شعاع التصوير النيوتروني HFIR CG-1D. يتم تعريف شعاع التصوير بواسطة نظام الفتحة الذي يحدد هندسة الحزمة المخروطية. يتم نقل الحزمة عبر أنبوب طيران مملوء ب He مع كاشطات شعاعية لإزالة النيوترونات الشاردة غير المرغوب فيها. تعمل البطانة المطاطية المثقوبة داخل أنبوب الطيران على تقليل الخلفية من خطوط الشعاع المجاورة. الاختصارات: HFIR = مفاعل نظير عالي التدفق ؛ هو = الهيليوم. L = المسافة من فتحة الثقب للقطر ، D ، والكاشف. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مرفق التصوير النيوتروني CG-1D في مفاعل النظائر عالي التدفق. تظهر الصورة ، من الأمام من اليمين إلى اليسار ، أنابيب الطيران ومنطقة العينة وتوقف الشعاع. الحزمة النيوترونية قادمة من الجانب الأيمن من الصورة. تم التوقيع على أنبوب الطيران من قبل مجتمعات البحث العلمي والصناعي التي تستخدم الأداة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: واجهة EPICS. تنقسم واجهة CG-1D EPICS إلى ثلاثة أقسام: قسم الحالة (يسار) ، ومنطقة العرض (في هذا المثال ، صورة شعاعية خام لساعة شمسية بحرية نحاسية) ، وإدخال المعلمة للتصوير 2D و 3D. الاختصارات: EPICS = الفيزياء التجريبية ونظام التحكم الصناعي ؛ 2D = ثنائي الأبعاد ؛ 3D = ثلاثي الأبعاد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: لقطة شاشة لدفتر ملاحظات Jupyter. يستخدم هذا الكمبيوتر الدفتري لمعاينة مجموعة من الصور الشعاعية قبل تطبيعها. في هذا المثال، يتم تصوير نفس الساعة الشمسية البحرية النحاسية الموضحة في الشكل 3 . يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: عظم الفخذ الجرذ مع زرع التيتانيوم. (أ) صورة لعظم فخذ. (ب) حجم 3D المقدم من عظم الفخذ الفئران التي تم الحصول عليها من nCT. ج: شريحة قطرية توضح قضيب التيتانيوم داخل عظم الفخذ. تظهر الأسهم الحمراء العظم التربيقي. يتم تقديم أشرطة المقياس بواسطة المحاور x و y ، على التوالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: التصوير المقطعي المحوسب لرئة الفأر. (أ) و (ب) صور تمثيلية لرئة الفأر. (C) و (D) حجم 3D القائم على التوهين باستخدام نفس الموضع مثل (A) و (B). (ه) شريحة ممثلة عبر الفص الأيمن من رئة الفأر (د) توضح بنية الرئة التي تم الحصول عليها بتدرج مختلف للتوهين النيوتروني (التوهين المنخفض في الغالب). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: التصوير المقطعي المحوسب بالنيوترون والشرائح عبر نظام جذر النبات / التربة. أ: صورة فوتوغرافية لعينة نباتية. (ب) حجم 3D المعروض من التصوير المقطعي المحوسب النيوتروني للنبات الذي يظهر الجذع فوق الأرض ، ونظام التربة بالماء (باللون الأحمر). (ج) و(د) تقطع العينة بزاوية لتوضيح الساق والجذور في التربة (الأسهم الحمراء). تشير المناطق الزرقاء الداكنة في التربة إلى وجود الماء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

يعد التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للعينات البيولوجية من تقنيات التصوير الواعدة المكملة للتصوير بالأشعة السينية أو التصوير بالرنين المغناطيسي. ترتبط الخطوات الحاسمة في إجراء تجربة التصوير النيوتروني لعينة بيولوجية بتحضيرها واحتوائها عند خط الحزمة. إن تحسين التجربة مدفوع بالسؤال العلمي الذي يجب الإجابة عليه. إذا كان السؤال العلمي يتطلب دقة مكانية عالية لمراقبة ظاهرة ما ، فإن أوقات الاستحواذ الطويلة مطلوبة ، وعيب nCT (مع مجال رؤية بحجم سم) هو أن إجراء المسح يستغرق ساعات. ويرجع ذلك في الغالب إلى الاختلاف في التدفق النيوتروني الكلي المتاح في المفاعل مقارنة بمصدر السنكروترون ، حيث يمكن أن تستغرق الأشعة السينية المقطعية من ثوان إلى دقائق لمجال رؤية بضعة مم2 . على الرغم من أنه يمكن تطبيق الطريقة على عينات الأنسجة خارج الجسم الحي المستخرجة من الحيوانات ، إلا أنه لا يمكن تمديدها في الجسم الحي إلى الحيوانات الحية أو البشر بسبب خطر التعرض للإشعاع (مثل أشعة جاما التي تنتجها النيوترونات والتفاعلات النيوترونية مع الذرات في العينة). ومع ذلك ، فهو مناسب تماما لتصوير تفاعلات جذر النبات / التربة (الشكل 7) مثل ديناميكيات امتصاص الماء.

ميزة استخدام nCT السريع لديناميات النبات هي الحساسية ل H في الماء وعدم وجود أضرار إشعاعية للنبات ، على عكس الأشعة السينية CT. علاوة على ذلك ، يمكن ملاحظة تباين فريد من استخدام النيوترونات في عينات العظام / المعادن مثل عظم الفخذ حيث يكون المعدن شفافا نسبيا مقارنة بالأنسجة المحيطة (الشكل 5) ، مما قد يؤدي إلى تجنب القطع الأثرية المعدنية التي تسببها الأشعة السينية CT39. تظهر الأنسجة الحيوانية ، مثل رئة الفأر (الشكل 6) ، اكتشافا مثيرا للإعجاب لبنية الأنسجة الرخوة لأن النيوترونات حساسة ل H ، لكن الدقة المكانية هي إلى حد ما العامل المحدد في هذه القياسات. يتم توفير التباين من خلال ذرات H الموجودة في العينات البيولوجية19,39.

مع تقدم التقنيات الجديدة مثل قياس التداخل النيوتروني ، والتحسن في الدقة المكانية (تم الإبلاغ مؤخرا عن بضعة ميكرونات42,43) قد يوفر التصوير النيوتروني آليات تباين جديدة للأنسجة البيولوجية مع دقة مكانية محسنة. يعد استكشاف النيوترونات ذات الطاقة العالية (للسماح بقياسات العينات السميكة) أيضا بالقدرة على قياس أجزاء أكبر من الأنسجة الحيوانية مثل الفأر السليم ، مما يوفر إمكانيات جديدة للبحوث الطبية الحيوية.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

استخدم جزء من هذا البحث الموارد في مفاعل النظائر عالي التدفق ، الذي تديره ORNL ، وبرعاية وزارة الطاقة الأمريكية ، مكتب العلوم ، مرافق المستخدم ، بموجب عقد DE-AC05-00OR22725 مع UT-Battelle، LLC. تم دعم جزء من هذا البحث من قبل ORNL من خلال برنامج زمالة الموظفين المتميزين Eugene Wigner. كما رعى هذا البحث مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، ومكتب البحوث البيولوجية والبيئية. تم الحصول على عينات الفخذ من الفئران من التجارب التي أجريت بالتعاون مع الدكتور ريك سومنر في المركز الطبي بجامعة راش بتمويل تم الحصول عليه من المعاهد الوطنية للصحة (R01AR066562) ومن مؤسسة أبحاث العظام والتعليم - جائزة سميث ونفيو. يود الفريق أن يشكر فرق دعم HFIR التي تمكن من استخدام خطوط شعاع تشتت النيوترونات.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum containers custom Made from aluminum plates or tubing (alternate is quartz), plant and mouse sample
Aluminum foil Fisher 01-213-100 Mouse lung sample containment
Deionized water or deuterium oxide Water or D2O can be used to enhance contrast, plant sample
Ethanol Fisher 04-355-223 Mouse lung sample
Gauze sponges CardinalHealth Fully submerged in phosphate-buffered saline (PBS) and used to wrap samples, rat femur sample
Growth chamber Conviron A1000 Any growth chamber or greenhouse with controlled conditions would work, plant sample
Laboratory balance Weighing plant system can be used to measure actual water content in the soils, plant sample
Pure silica sand US Silica Co. Flint#13 Pure SiO2 provides low neutron attenuation compared to soils, plant sample
Sprague-Dawley Rats Harlan Order Code: 002-US Rat femur sample
Titanium Rod Goodfellow TI007905 Rat femur sample

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Cekanova, M., Donnell, R., Bilheux, H., Bilheux, J. -C. Neutron imaging: Detection of cancer using animal model. Proceedings of the 2014 Biomedical Sciences and Engineering Conference - 5th Annual ORNL Biomedical Sciences and Engineering Conference: Collaborative Biomedical Innovations - The Multi-Scale Brain: Spanning Molecular, Cellular, Systems, Cognitive, Behaviour. , (2014).
  2. Bilheux, H. Z., et al. Neutron imaging a. The Oak Ridge National Laboratory: Application to biological research. Proceedings of the 2014 Biomedical Sciences and Engineering Conference - 5th Annual ORNL Biomedical Sciences and Engineering Conference: Collaborative Biomedical Innovations - The Multi-Scale Brain: Spanning Molecular, Cellular, Systems, Cognitive, Behaviour. , (2014).
  3. Bilheux, H. Z., et al. A novel approach to determine post mortem interval using neutron radiography. Forensic Science International. 251, (2015).
  4. Isaksson, H., et al. Neutron tomographic imaging of bone-implant interface: Comparison with X-ray tomography. Bone. 103, 295-301 (2017).
  5. Le Cann, S., et al. Characterization of the bone-metal implant interface by Digital Volume Correlation of in-situ loading using neutron tomography. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 75, 271-278 (2017).
  6. Burca, G., et al. Exploring the potential of neutron imaging for life sciences on IMAT. Journal of Microscopy. 272 (3), 242-247 (2018).
  7. Metzke, R. W., et al. Neutron computed tomography of rat lungs. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 1-10 (2011).
  8. Altieri, S., et al. Neutron autoradiography imaging of selective boron uptake in human metastatic tumours. Applied Radiation and Isotopes. 66 (12), 1850-1855 (2008).
  9. Altieri, S., Bortolussi, S., Bruschi, P., Pedroni, P., Zonta, A. Neutron radiography of human liver metastases after BPA infusion. Proceedings of 11th World congress on Neutron Capture Therapy. , (2004).
  10. Holz, M., Zarebanadkouki, M., Kaestner, A., Kuzyakov, Y., Carminati, A. Rhizodeposition under drought is controlled by root growth rate and rhizosphere water content. Plant and Soil. 423 (1-2), 429-442 (2018).
  11. Esser, H. G., Carminati, A., Vontobel, P., Lehmann, E. H., Oswald, S. E. Neutron radiography and tomography of water distribution in the root zone. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 173 (5), 757-764 (2010).
  12. Warren, J. M., et al. Neutron imaging reveals internal plant water dynamics. Plant and Soil. 366 (1-2), (2013).
  13. Dhiman, I., et al. Quantifying root water extraction after drought recovery using sub-mm in situ empirical data. Plant and Soil. 424, 73-89 (2018).
  14. Kroener, E., Zarebanadkouki, M., Kaestner, A., Carminati, A. Non-equilibrium dynamics of rhizosphere. Water Resources Research. 50 (8), 6479-6495 (2014).
  15. Moradi, A. B., et al. Three-dimensional visualization and quantification of water content in the rhizosphere. New Phytologist. 192 (3), 653-663 (2011).
  16. Banhart, J., et al. X-ray and neutron imaging - Complementary techniques for materials science and engineering. International Journal of Materials Research. 101 (9), 1069-1079 (2010).
  17. LaManna, J. M., Hussey, D. S., Baltic, E. M., Jacobson, D. L. Improving material identification by combining x-ray and neutron tomography. Proceedings 10391, Developments in X-Ray Tomography XI. 1039104, (2017).
  18. Tengattini, A., et al. NeXT-Gremoble, the Neutron and X-ray tomograph in Grenoble. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 968, 163939 (2020).
  19. Neutron Imaging and Applications. Bilheux, H. Z., McGreevy, R. L., Anderson, I. S. , Springer. Boston, MA, USA. (2009).
  20. Zhang, P., Wittmann, F. H., Zhao, T. J., Lehmann, E. H., Vontobel, P. Neutron radiography, a powerful method to determine time-dependent moisture distributions in concrete. Nuclear Engineering and Design. 241 (12), 4758-4766 (2011).
  21. Lobo, R. M., Andrade, A. H. P., Castagnet, M. Hydride embrittlement in zircaloy components. Inac 2011 Int Nucl.Atlantic Conference. , 1-6 (2011).
  22. Kardjilov, N., et al. New trends in neutron imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 605 (1-2), 13-15 (2009).
  23. Schillinger, B., et al. Detection systems for short-time stroboscopic neutron imaging and measurements on a rotating engine. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 542 (1-3), 142-147 (2005).
  24. Thewlis, J. Neutron Radiography. British Journal of Applied Physics. 7, 345-350 (1956).
  25. Anderson, J. Neutron Radiography in Man. British Journal of Radiology. 37, 957-958 (1964).
  26. Brown, M., Parks, P. B. Neutron radiography in biologic media: techniques, observations, and implications. American Journal of Roentgenology. 106 (3), 472-485 (1969).
  27. Metzke, R. W., Runck, H., Stahl, C. A., Schillinger, B., Calzada, E. Neutron computed tomography of rat lungs. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 1-10 (2011).
  28. Crow, L., et al. The CG1 instrument development test station at the high flux isotope reactor. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 634 (1), 71-74 (2011).
  29. Santodonato, L., et al. The CG-1D neutron imaging beamline at the Oak Ridge National Laboratory High Flux Isotope Reactor. Physics Procedia. 69, 104-108 (2015).
  30. Tremsin, A. S., et al. Improved efficiency of high resolution thermal and cold neutron imaging. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 628 (1), 415-418 (2011).
  31. Tremsin, A. S., Vallerga, J. V., McPhate, J. B., Siegmund, O. H. W. Optimization of high count rate event counting detector with microchannel plates and quad Timepix readout. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 787, 20-25 (2015).
  32. Vlassenbroeck, J., et al. Software tools for quantification of X-ray microtomography at the UGCT. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 580 (1), 442-445 (2007).
  33. Gürsoy, D., De Carlo, F., Xiao, X., Jacobsen, C. TomoPy: A framework for the analysis of synchrotron tomographic data. Journal of Synchrotron Radiation. 21 (5), 1188-1193 (2014).
  34. Pelt, D. M., et al. Integration of TomoPy and the ASTRA toolbox for advanced processing and reconstruction of tomographic synchrotron data. Journal of Synchrotron Radiation. 23 (3), 842-849 (2016).
  35. Venkatakrishnan, S. V., Cakmak, E., Billheux, H., Bingham, P., Archibald, R. K. Model-based iterative reconstruction for neutron laminography. Conference Record of 51st Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, ACSSC 2017. , (2018).
  36. Stalling, D., Westerhoff, M., Hege, H. C. Amira: A highly interactive system for visual data analysis. Visualization Handbook. 1, 749-767 (2005).
  37. Grünzweig, C., Frei, G., Lehmann, E., Kühne, G., David, C. Highly absorbing gadolinium test device to characterize the performance of neutron imaging detector systems. Review of Scientific Instruments. 78 (5), 1-4 (2007).
  38. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  39. Meagher, M. J., Parwani, R. N., Virdi, A. S., Sumner, D. R. Optimizing a micro-computed tomography-based surrogate measurement of bone-implant contact. Journal of Orthopaedic Research. 36 (3), 979-986 (2018).
  40. Dalesio, L. R., et al. The experimental physics and industrial control system architecture: past, present, and future. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. 352 (1-2), 179-184 (1994).
  41. Bilheux, J., Lin, J. Y. Y., Bilheux, H. Z. Jupyter notebooks for neutron radiography data processing and analysis. Neutron Radiography-WCNR-11. 15, 198-204 (2020).
  42. Trtik, P., et al. Improving the spatial resolution of neutron imaging at Paul Scherrer Institut - The Neutron Microscope Project. Physics Procedia. 69, 169-176 (2015).
  43. Morgano, M., et al. Unlocking high spatial resolution in neutron imaging through an add-on fibre optics taper. Optics Express. 26 (2), 9-12 (2018).

Tags

التراجع، العدد 171، التصوير الشعاعي النيوتروني، التصوير المقطعي المحوسب النيوتروني، مصدر المفاعل، التصوير النيوتروني، إعادة بناء بيانات الصورة، التصور، أجهزة الكشف، العينات البيولوجية
التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للأنظمة البيولوجية في مفاعل النظائر عالي التدفق التابع لمختبر أوك ريدج الوطني
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bilheux, H. Z., Cekanova, M.,… More

Bilheux, H. Z., Cekanova, M., Warren, J. M., Meagher, M. J., Ross, R. D., Bilheux, J. C., Venkatakrishnan, S., Lin, J. Y. Y., Zhang, Y., Pearson, M. R., Stringfellow, E. Neutron Radiography and Computed Tomography of Biological Systems at the Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor. J. Vis. Exp. (171), e61688, doi:10.3791/61688 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter