Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Biomedical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

Imágenes micro-CT de una médula espinal del ratón
 

Imágenes micro-CT de una médula espinal del ratón

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Un escaneo micro-CT es una imagen tridimensional que se crea a partir de una serie de imágenes de rayos X en diferentes orientaciones. El primer premio Nobel de física fue otorgado al Dr. Rontgen en 1901 por el descubrimiento de rayos X y su uso como lo demuestran las imágenes de la mano de su esposa.

Las imágenes de absorción de rayos X siguen siendo una herramienta indispensable, especialmente en laboratorios universitarios y hospitales. Uno de los usos más avanzados consiste en tomar una serie de proyecciones de rayos X bidimensionales para reconstruir un volumen tridimensional. Esto se conoce como tomografía computarizada o TC. Micro-CT utiliza el mismo método básico, pero produce imágenes de mayor resolución de volúmenes más pequeños.

Este video demostrará cómo obtener imágenes de rayos X y usarlas para producir un escaneo de micro-CT, ilustrar los principios de la tecnología y, finalmente, discutir algunas de sus aplicaciones.

Ahora veamos cómo se forman las imágenes de rayos X y examinemos los principios detrás de ensamblarlas en una exploración de micro-CT.

Un sistema de micro-CT típico cuenta con tres componentes primarios, una fuente de rayos X, una etapa de rotación para la muestra y un detector. En la fuente de rayos X, los electrones cargados negativamente se disparan en un vacío donde golpean e interactúan con un objetivo. Los electrones desaceleran a través del material objetivo y emiten rayos X. Este fenómeno de generación de rayos X se conoce como bremsstrahlung, o radiación de frenado. A continuación, los rayos X abandonan la fuente y son absorbidos, dispersos o transmitidos por la muestra antes de llegar al detector. La absorción es la interacción predominante medida en micro-CT, que se debe a la gran variación en la absorción de rayos X por diferentes materiales en la muestra.

Los huesos contienen mucho calcio atómico y absorben los rayos X más que los tejidos blandos. Los rayos X absorbidos no llegan al detector y los huesos aparecen blancos en una radiografía. La salida de la tomografía es una serie de proyecciones 2D en diferentes orientaciones que se pueden reconstruir en un volumen 3D. La energía de rayos X debe ser equilibrada para que haya suficiente atenuación en la muestra y la señal en el detector.

La intensidad, o el número de rayos X medidos, I, depende de la intensidad antes de la atenuación, I-nada, el coeficiente de absorción de masa del material, mu, la densidad del material, rho, y la longitud de la trayectoria de rayos X, X. Idealmente, el valor de transmisión I sobre I-nada, debe estar entre cinco y 95% para todas las orientaciones de la muestra, con los mejores resultados en el rango medio. Este valor se comprueba tomando una imagen de la muestra y, a continuación, dividiendo los valores de píxel de la imagen por los de una imagen de aire.

Ahora que entiende los principios detrás de las exploraciones de micro-CT, ahora vamos a demostrar cómo producir uno.

En esta demostración, se obtendrá una microtomografía de la columna vertebral de un ratón.

En primer lugar, obtener una muestra que se suspende en gel de agarosa. La muestra debe curarse en un tubo de plástico de paredes delgadas para evitar el movimiento y la deshidratación de la muestra. Las paredes del tubo deben ser lo más delgadas posible para reducir el rendimiento de la señal y mejorar la calidad general de la imagen.

A continuación, monte el tubo en la etapa de la muestra con cinta adhesiva o haciendo un soporte personalizado. Asegúrese de que la muestra esté estacionaria y estable cuando el escenario gire. Ahora, encienda la fuente de rayos X y establézcala en una energía de 90 kiloelectrones voltios o una tensión de 90 kilovoltios, y establezca la potencia en ocho vatios. Una vez que la fuente se calienta, adquiera una imagen a través del software del sistema. Para la adquisición y aplicación automáticas, asegúrese de que la muestra puede moverse en una dirección determinada sin bloquearse. Compruebe el valor de transmisión normalizando la imagen contra una imagen de aire.

Si una imagen tiene una transmisión demasiado alta, reduzca la energía de forma incremental hasta que el valor de transmisión sea suficiente. Si la imagen tiene demasiado bajo de una transmisión, aumente la energía incrementalmente hasta que el valor de transmisión sea suficiente. Si la muestra parece rara o granulada, aumente el tiempo de exposición según sea necesario.

A continuación, mueva el origen de rayos X lo más cerca posible de la muestra para maximizar el rendimiento y obtener la mejor resolución posible. Tenga cuidado de no chocar juntos. Refinar el campo de visión de la muestra desplazando la etapa de la muestra utilizando sus actuadores lineales. A continuación, busque el tamaño de píxel de la imagen. Si el sistema CT admite el aumento óptico mediante la conversión de la señal de rayos X en señal de luz visible, pruebe diferentes objetivos ópticos y posiciones del detector. Sin embargo, tenga en cuenta que esto afectará a los parámetros de análisis.

Después de realizar los ajustes necesarios, encuentre el tiempo de exposición óptimo. Gire lentamente la muestra en incrementos de dos grados mientras supervisa su posición en relación con la fuente y el detector a través de la cámara del gabinete. Aleje la fuente y el detector si se produce una colisión.

Por último, encuentre la longitud de trayecto de rayos X más larga que resulte en el menor número de recuentos y determine el tiempo de exposición necesario para aproximadamente 5.000 recuentos en todas partes.

Ahora, veamos cómo se puede adquirir una serie de imágenes. En primer lugar, seleccione un escaneo en 180 grados o 360 grados en función de la relación de aspecto de la muestra. Para relaciones de aspecto altas, seleccione un escaneo de 180 grados y para relaciones de aspecto bajas, seleccione un escaneo de 360 grados. Si la longitud del trayecto de rayos X es cuatro o más veces mayor en una dirección que la otra, elija un escaneo de 180 grados.

A continuación, elija el número de proyecciones y el desplazamiento angular total que dictará el ángulo entre las proyecciones. Un ángulo más pequeño reduce la cantidad de interpolación de información de entidad fina, pero aumenta el tiempo de escaneo. Una regla general es tener al menos 800 proyecciones, pero por lo general no más de 3.200 proyecciones en un escaneo de 360 grados.

Ahora, envíe el escaneo. La serie completa de imágenes de rayos X tomará el orden de unas pocas o decenas de horas para adquirir. Una vez completada la exploración, cargue la serie de imágenes 2D en el software de reconstrucción. Ahora, seleccione las correcciones óptimas de cambio de centro para que las imágenes se alineen alrededor de un eje compartido. Este valor suele estar en algún lugar entre los diez y diez píxeles negativos.

A continuación, seleccione el coeficiente de corrección de endurecimiento de haz óptimo. Esto elimina el falso contraste derivado de la atenuación de rayos X de baja energía. Un valor medio está en algún lugar entre zeri y 0.5. A continuación, presentar la reconstrucción. Una vez reconstruida la exploración micro-CT, los resultados están listos para su análisis.

Aquí hay una exploración de micro-CT representativa que se obtuvo usando este procedimiento. Aquí, vemos el volumen 3D de una médula espinal del ratón. El procesamiento de imágenes adicionales dos sectores transversales digitales permite datos cuantitativos como la porosidad del material, y el tamaño de las características se puede obtener utilizando herramientas de software. El espacio entre las secciones de las vértebras y los pasadizos intervertebras se midió para ser del orden de cientos de micras.

Aquí hay otra tomografía computarizada que se obtuvo de la rodilla de una rata. Podemos ver la porosidad del hueso cortical y podemos medir el espaciado dentro del hueso cortical de la rodilla de una rata y el grosor del cartílago articular.

Acaba de ver una exploración micro-CT de una muestra biológica mineralizada, pero las aplicaciones de la tomografía de rayos X 3D se extienden a los mundos de la microelectrónica, la geología, la fabricación aditiva, las células de combustible y más. Examinaremos algunos otros casos.

Las imágenes de rayos X de alta resolución de los tejidos blandos animales se pueden obtener a pesar de su absorción natural de rayos X bajos. Esto se logra mediante el uso de la tinción de contraste simple. En este ejemplo, un cerebro trasero del ratón se tiñe usando la solución de yodo de Lugol antes de la toma de imágenes. A continuación, se prepara, carga la muestra y se toman imágenes de rayos X. Finalmente, se crea una tomografía computarizada que muestra claramente lesiones en el cerebro trasero.

Micro-CT se puede utilizar para caracterizar la micro estructura de los dispositivos electrónicos. En este ejemplo, se escanea un LED. Las exploraciones de micro-CT permiten a los ingenieros analizar la falla del dispositivo o realizar ingeniería inversa de un dispositivo.

Las estructuras tridimensionales se pueden crear a partir de datos de micro-CT. En este ejemplo, una rata se anestesia y se escanea. Los datos se pueden analizar para distinguir la estructura ósea del tejido circundante. Por último, se puede crear un modelo físico del resultado utilizando una impresora 3D.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la creación de escaneos de micro-CT 3D a partir de imágenes de rayos X 2D. Ahora debe comprender los principios detrás de las imágenes de rayos X, la relación entre las imágenes de rayos X y las tomografías computarizadas, cómo producir una exploración por micro-TC de una muestra y algunas aplicaciones. ¡Gracias por mirar!

Read Article

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

Waiting X
simple hit counter