Login processing...

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

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

 

小鼠脊髓的微CT成像

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

微CT扫描是从不同方向的一系列X射线图像中创建的三维图像。1901年,第一个诺贝尔物理学奖授予了朗特根博士,因为他发现了X射线,并通过成像他妻子的手来证明其用途。

X射线吸收成像仍然是不可或缺的工具,特别是在大学实验室和医院。其中最先进的用途是采用一系列二维 X 射线投影来重建三维体积。这称为计算机断层扫描或CT。 Micro-CT使用相同的基本方法,但会产生更小体积的更高分辨率的图像。

本视频将演示如何获取 X 射线图像并使用它们生成微 CT 扫描,说明该技术的原理,最后讨论其一些应用。

现在,让我们来看看X射线图像是如何形成的,并检查将它们组装到微CT扫描中背后的原理。

典型的微型CT系统具有三个主要组件,一个X射线源,一个样品的旋转阶段和一个探测器。在X射线源中,带负电荷的电子在真空中被射出,它们击中目标并与目标相互作用。电子通过目标材料减速并发出X射线。这种X射线生成现象被称为"布雷姆斯特拉隆"或"制动辐射"。然后,X 射线离开源,在到达探测器之前被样品吸收、分散或传输。吸收是微CT测量的主要相互作用,这是因为样品中不同材料在X射线吸收方面差异很大。

骨骼含有大量的原子钙,比软组织吸收X射线更多。被吸收的X射线不会到达探测器,骨头在X射线中显示为白色。断层扫描的输出是一系列不同方向的 2D 投影,可重建为 3D 体积。X 射线能量需要平衡,以便样品和探测器的信号有足够的衰减。

测量的强度或X射线数,I,取决于衰减前的强度,I-无,材料的质量吸收系数,mu,材料的密度,rho,和X射线路径长度,X。I-无,对于样品的所有方向,应介于 5 到 95% 之间,最佳结果在中间范围内。通过拍摄样本图像,然后将图像的像素值除以空气图像中的像素值来检查此值。

现在,您已经了解了微型 CT 扫描背后的原理,现在让我们演示如何生成一个扫描。

在本演示中,将获取小鼠脊柱的微CT扫描。

首先,获得悬浮在甘蔗凝胶中的样品。样品应在薄壁塑料管中固化,以防止样品移动和脱水。管壁应尽可能薄,以减少信号吞吐量并提高整体图像质量。

然后,使用胶带或定制支架将管子安装在样品台上。确保样品在舞台旋转时静止且稳定。现在,打开 X 射线源,将其设置为 90 千电子伏特或 90 千伏电压,并将功率设置为 8 瓦。一旦源预热,通过系统软件获取映像。对于自动采集和应用,确保样品可以向给定方向移动而不发生碰撞。通过根据空气图像对图像进行规范化来检查传输值。

如果图像的传输过高,则逐渐降低能量,直到传输值足够。如果图像的传输过低,则逐渐增加能量,直到传输值足够。如果样品出现噪音或颗粒状,根据需要增加曝光时间。

接下来,将 X 射线源尽可能靠近样品,以最大限度地提高吞吐量并获得最佳分辨率。小心不要把它们撞在一起。通过使用线性执行器移动样品级,优化样品的视场。然后,找到图像的像素大小。如果 CT 系统通过将 X 射线信号转换为可见光信号支持光学放大,请尝试不同的光学目标和探测器位置。但是,请注意,这将影响扫描参数。

进行必要的调整后,找到最佳曝光时间。缓慢旋转样品以两度为增量,同时通过机柜摄像机监控其相对于源和探测器的位置。如果可能发生碰撞,则进一步将源和探测器分开。

最后,找到最长的 X 射线路径长度,从而生成最少的计数数,并确定所有位置大约 5,000 个计数所需的曝光时间。

现在,让我们看看如何获取一系列图像。首先,根据样品的纵横比选择 180 度或 360 度的扫描。对于高纵横比,请选择 180 度扫描,对于低纵横比,请选择 360 度扫描。如果 X 射线路径长度在一个方向上比另一个方向大四倍或更多,请选择 180 度扫描。

接下来,选择将指示投影之间的角度的投影数和总角度位移。较小的角度可减小精细要素信息的插值量,但会增加扫描时间。经验法则是至少有 800 个投影,但在 360 度扫描中通常不超过 3,200 个投影。

现在,提交扫描。完整的X射线图像系列需要几个小时到几十个小时才能获取。扫描完成后,将 2D 图像系列加载到重建软件中。现在,选择最佳的中心移位校正,以便图像围绕共享轴排列。此值通常在负 10 到 10 像素之间。

接下来,选择最佳光束硬化校正系数。这消除了低能量 X 射线衰减产生的假对比度。平均值介于 zeri 和 0.5 之间。然后提交重建。重建微CT扫描后,即可对结果进行分析。

下面是使用此过程获得的具有代表性的微 CT 扫描。在这里,我们看到鼠标脊髓的3D体积。进一步的图像处理两个数字横截面切片允许定量数据,如材料孔隙度,并使用软件工具获得特征大小。椎骨通道和椎间通道各段之间的间距被测量为数百微米。

这是另一个微CT扫描,是从老鼠的膝盖获得的。我们可以看到皮质骨的孔隙度,并可以测量大鼠膝盖皮质骨内的间距和关节软骨的厚度。

您刚刚看到矿化生物样品的微CT扫描,但3D X射线断层扫描的应用扩展到微电子学、地质学、增材制造、燃料电池等领域。我们将检查其他几个实例。

尽管动物软组织的自然低吸收率较低,但可以获得高分辨率的X射线图像。这是通过使用简单的对比染色来实现的。在此示例中,小鼠后脑在成像前使用 Lugol 的碘溶液进行染色。然后准备、加载样本并拍摄 X 射线图像。最后,微CT扫描被创建清楚显示后脑的病变。

微CT可用于表征电子设备的微观结构。在此示例中,将扫描 LED。微型 CT 扫描使工程师能够分析设备故障或对设备进行反向工程。

三维结构可以从微CT数据创建。在此示例中,对大鼠进行麻醉和扫描。然后可以分析数据,以区分骨骼结构和周围组织。最后,可以使用 3D 打印机创建结果的物理模型。

您刚刚观看了 JoVE 关于从 2D X 射线图像创建 3D 微 CT 扫描的介绍。现在,您应该了解 X 射线成像背后的原理、X 射线图像和 CT 扫描之间的关系、如何生成样本的微 CT 扫描以及一些应用。感谢您的收看!

Read Article

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

Waiting X
simple hit counter