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Imagerie micro-CT d'une moelle épinière de souris
 

Imagerie micro-CT d'une moelle épinière de souris

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Un micro-CT scan est une image tridimensionnelle qui est créée à partir d'une série d'images radiographiques à différentes orientations. Le premier prix Nobel de physique a été décerné au Dr Rontgen en 1901 pour la découverte des rayons X et leur utilisation comme démontré par l'imagerie de la main de sa femme.

L'imagerie par absorption des rayons X continue d'être un outil indispensable, en particulier dans les laboratoires universitaires et les hôpitaux. L'une des utilisations les plus avancées consiste à prendre une série de projections de rayons X en deux dimensions pour reconstruire un volume tridimensionnel. C'est ce qu'on appelle la tomographie calculée ou CT. Micro-CT utilise la même méthode de base, mais produit des images de résolution beaucoup plus élevée de plus petits volumes.

Cette vidéo montrera comment obtenir des images radiographiques et les utiliser pour produire une micro-ToMode, illustrer les principes de la technologie, et enfin, discuter de certaines de ses applications.

Examinons maintenant comment les images à rayons X sont formées et examinons les principes qui sous-tendent leur assemblage en micro-tomodensitome.

Un système typique de micro-CT comporte trois composants primaires, une source de rayons X, une étape de rotation pour l'échantillon, et un détecteur. Dans la source de rayons X, les électrons chargés négativement sont abattus dans le vide où ils frappent et interagissent avec une cible. Les électrons décélérent à travers le matériau cible et émettent des rayons X. Ce phénomène de génération de rayons X est connu sous le nom de bremsstrahlung, ou rayonnement de freinage. Les rayons X quittent alors la source et sont soit absorbés, dispersés ou transmis par l'échantillon avant d'arriver au détecteur. L'absorption est l'interaction prédominante mesurée en micro-CT, qui est due à la grande variation de l'absorption des rayons X par différents matériaux dans l'échantillon.

Les os contiennent beaucoup de calcium atomique et absorbent les rayons X plus que les tissus mous. Les rayons X absorbés n'atteignent pas le détecteur et les os apparaissent blancs dans une radiographie. La sortie de la tomographie est une série de projections 2D à différentes orientations qui peuvent être reconstruites en un volume 3D. L'énergie des rayons X doit être équilibrée de sorte qu'il y ait suffisamment d'atténuation dans l'échantillon et le signal au détecteur.

L'intensité, ou le nombre de rayons X mesurés, I, dépend de l'intensité avant l'atténuation, I-naught, le coefficient d'absorption de masse du matériau, mu, la densité du matériau, rho, et la longueur du chemin de rayons X, X. Idéalement, la valeur de transmission I plus I-naught, devrait être entre cinq et 95% pour toutes les orientations de l'échantillon, avec les meilleurs résultats à la gamme moyenne. Cette valeur est vérifiée en prenant une image de l'échantillon, puis en divisant les valeurs pixel de l'image par ceux dans une image de l'air.

Maintenant que vous comprenez les principes qui sous-tendent les micro-tomodensitol, démontrons maintenant comment en produire un.

Dans cette démonstration, un balayage de micro-CT de la colonne vertébrale d'une souris sera obtenu.

Tout d'abord, obtenir un échantillon qui est suspendu dans le gel d'agarose. L'échantillon doit être durci dans un mince tube en plastique clos pour empêcher le mouvement de l'échantillon et la déshydratation. Les parois du tube doivent être aussi minces que possible pour réduire le débit du signal et améliorer la qualité globale de l'image.

Ensuite, montez le tube sur la scène de l'échantillon à l'aide de ruban adhésif ou en faisant un stand personnalisé. Assurez-vous que l'échantillon est stationnaire et stable lorsque l'étape tourne. Maintenant, allumez la source de rayons X et fixez-la à une énergie de 90 kiloélectrons volts ou une tension de 90 kilovolts, et fixez la puissance à huit watts. Une fois que la source se réchauffe, acquérir une image à travers le logiciel système. Pour l'acquisition et l'application automatiques, assurez-vous que l'échantillon peut se déplacer dans une direction donnée sans s'écraser. Vérifiez la valeur de transmission en normalisant l'image par rapport à une image d'air.

Si une image a une transmission trop élevée, abaissez l'énergie progressivement jusqu'à ce que la valeur de transmission soit suffisante. Si l'image a une transmission trop faible, augmentez l'énergie progressivement jusqu'à ce que la valeur de transmission soit suffisante. Si l'échantillon semble bruyant ou granuleux, augmentez le temps d'exposition au besoin.

Ensuite, déplacez la source de rayons X aussi près que possible de l'échantillon afin de maximiser le débit et d'obtenir la meilleure résolution possible. Veillez à ne pas les écraser ensemble. Affiner le champ de vision de l'échantillon en déplaçant l'étape de l'échantillon à l'aide de ses actionneurs linéaires. Ensuite, localisez la taille du pixel de l'image. Si le système CT prend en charge le grossissement optique en convertissant le signal radiographique en signal lumineux visible, essayez différents objectifs optiques et positions de détecteur. Cependant, sachez que cela affectera les paramètres d'analyse.

Après avoir fait les ajustements nécessaires, trouver le temps d'exposition optimal. Faites pivoter lentement l'échantillon par incréments de deux degrés tout en surveillant sa position par rapport à la source et au détecteur par l'intermédiaire de la caméra de l'armoire. Déplacez la source et le détecteur plus loin si une collision peut se produire.

Enfin, trouvez la plus longue longueur de chemin de rayons X qui donne le plus faible nombre de dénombrements et déterminez le temps d'exposition nécessaire pour environ 5 000 comptes partout.

Maintenant, nous allons voir comment une série d'images peuvent être acquises. Tout d'abord, sélectionnez un balayage sur 180 degrés ou 360 degrés en fonction du rapport d'aspect de l'échantillon. Pour les rapports d'aspect élevés, sélectionnez un balayage de 180 degrés, et pour les rapports d'aspect bas, sélectionnez un balayage de 360 degrés. Si la longueur du chemin des rayons X est quatre fois ou plus grande dans une direction que dans l'autre, choisissez un balayage de 180 degrés.

Ensuite, choisissez le nombre de projections et le déplacement angulaire total qui dictera l'angle entre les projections. Un angle plus petit diminue la quantité d'interpolation des informations de fonctionnalité fine, mais augmente le temps d'analyse. Une règle de base est d'avoir au moins 800 projections, mais généralement pas plus de 3200 projections sur un balayage de 360 degrés.

Maintenant, soumettez l'analyse. La série complète d'images radiographiques prendra de l'ordre de quelques à quelques dizaines d'heures à acquérir. Une fois l'analyse terminée, chargez la série d'images 2D dans le logiciel de reconstruction. Maintenant, sélectionnez les corrections optimales de décalage central de sorte que les images s'alignent autour d'un axe partagé. Cette valeur se situe généralement entre dix et dix pixels négatifs.

Ensuite, sélectionnez le coefficient optimal de correction de durcissement du faisceau. Ceci élimine le faux contraste dérivé de l'atténuation de rayon X de basse énergie. Une valeur moyenne se situe entre zeri et 0,5. Ensuite, soumettez la reconstruction. Une fois que le micro-CT a été reconstruit, les résultats sont prêts pour l'analyse.

Voici un micro-CT scan représentatif qui a été obtenu en utilisant cette procédure. Ici, nous voyons le volume 3D d'une moelle épinière de souris. D'autres tranches transversales numériques permettent d'obtenir des données quantitatives telles que la porosité des matériaux, et la taille des fonctionnalités à l'aide d'outils logiciels. L'espacement entre les sections d'un passage des vertèbres et des intervertèbres a été mesuré pour être de l'ordre de centaines de microns.

Voici un autre balayage de micro-CT qui a été obtenu du genou d'un rat. Nous pouvons voir la porosité de l'os cortical et pouvons mesurer l'espacement dans l'os cortical du genou d'un rat et l'épaisseur du cartilage articulaire.

Vous venez de voir un micro-CT scan d'un échantillon biologique minéralisé, mais les applications de la tomographie aux rayons X 3D s'étendent aux mondes de la microélectronique, de la géologie, de la fabrication additive, des piles à combustible, et plus encore. Nous examinerons quelques autres cas.

Des images de rayons X à haute résolution des tissus mous animaux peuvent être obtenues en dépit de leur faible absorption naturelle de rayons X. Ceci est accompli par l'utilisation de la coloration de contraste simple. Dans cet exemple, un cerveau postérieur de souris est souillé utilisant la solution d'iode de Lugol avant l'imagerie. L'échantillon est ensuite préparé, chargé et des images radiographiques sont prises. Enfin, un balayage de micro-CT est créé montrant clairement des lésions dans le cerveau postérieur.

Micro-CT peut être utilisé pour caractériser la microstructure des appareils électroniques. Dans cet exemple, une LED est numérisée. Les micro-tomodensitol permettent aux ingénieurs d'analyser la défaillance de l'appareil ou d'inverser la défaillance d'un appareil.

Des structures tridimensionnelles peuvent être créées à partir de données micro-CT. Dans cet exemple, un rat est anesthésié et numérisé. Les données peuvent ensuite être analysées pour distinguer la structure osseuse des tissus environnants. Enfin, un modèle physique du résultat peut être créé à l'aide d'une imprimante 3D.

Vous venez de regarder l'introduction de JoVE à la création de micro-CT 3D à partir d'images 2D radiographiques. Vous devez maintenant comprendre les principes qui sous-tendent l'imagerie par rayons X, la relation entre les images radiographiques et les tomodensitométries, la façon de produire une micro-tomodensitométrie d'un échantillon et certaines applications. Merci d'avoir regardé!

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