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Mikro-CT-Bildgebung einer Maus Rückenschnur

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Ein Micro-CT-Scan ist ein dreidimensionales Bild, das aus einer Reihe von Röntgenbildern in verschiedenen Ausrichtungen erstellt wird. Der erste Nobelpreis für Physik ging 1901 an Dr. Rontgen für die Entdeckung von Röntgenstrahlen und deren Verwendung, wie die Abbildung der Hand seiner Frau zeigt.

Die Röntgenabsorptions-Bildgebung ist nach wie vor ein unverzichtbares Werkzeug, insbesondere in Universitätslabors und Krankenhäusern. Eine der fortschrittlichsten Anwendungen besteht darin, eine Reihe von zweidimensionalen Röntgenprojektionen zu verwenden, um ein dreidimensionales Volumen zu rekonstruieren. Dies wird als Computertomographie oder CT bezeichnet. Micro-CT verwendet die gleiche grundlegende Methode, erzeugt aber viel höhere AuflösungvonBilder kleinerer Volumina.

Dieses Video zeigt, wie Sie Röntgenbilder erhalten und sie verwenden, um einen Mikro-CT-Scan zu erstellen, die Prinzipien der Technologie zu veranschaulichen und schließlich einige ihrer Anwendungen zu diskutieren.

Sehen wir uns nun an, wie Röntgenbilder entstehen, und untersuchen wir die Prinzipien hinter der Zusammenstellung zu einem Mikro-CT-Scan.

Ein typisches Mikro-CT-System verfügt über drei Hauptkomponenten, eine Röntgenquelle, eine Rotationsstufe für die Probe und einen Detektor. In der Röntgenquelle werden negativ geladene Elektronen in einem Vakuum aufgenommen, in dem sie ein schlagen und mit einem Ziel interagieren. Die Elektronen verlangsamen sich durch das Zielmaterial und emittieren Röntgenstrahlen. Dieses Phänomen der Röntgenerzeugung wird als Bremsstrahlung oder Bremsstrahlung bezeichnet. Die Röntgenstrahlen verlassen dann die Quelle und werden entweder absorbiert, gestreut oder von der Probe übertragen, bevor sie am Detektor ankommen. Absorption ist die vorherrschende Wechselwirkung, die in Mikro-CT gemessen wird, was auf die große Variation der Röntgenabsorption durch verschiedene Materialien in der Probe zurückzuführen ist.

Knochen enthalten viel atomares Kalzium und absorbieren Röntgenstrahlen mehr als Weichgewebe. Die absorbierten Röntgenstrahlen erreichen den Detektor nicht und die Knochen erscheinen in einer Röntgenaufnahme weiß. Der Ausgang der Tomographie ist eine Reihe von 2D-Projektionen in unterschiedlichen Ausrichtungen, die in einem 3D-Volumen rekonstruiert werden können. Die Röntgenenergie muss ausgeglichen werden, damit die Probe und das Signal am Detektor ausreichend abgeschwächt werden.

Die Intensität oder Anzahl der gemessenen Röntgenstrahlen, I, hängt von der Intensität vor Dämpfung, I-naught, dem Massenabsorptionskoeffizienten des Materials, mu, der Dichte des Materials, Rho, und der Röntgenweglänge, X. Idealerweise der Transmissionswert I über I-naught, sollte zwischen fünf und 95% für alle Ausrichtungen der Probe sein, mit den besten Ergebnissen im mittleren Bereich. Dieser Wert wird überprüft, indem sie ein Bild des Beispiels aufnehmen und dann die Pixelwerte des Bildes durch die Pixelwerte in einem Bild der Luft dividieren.

Nun, da Sie die Prinzipien hinter Mikro-CT-Scans verstehen, lassen Sie uns jetzt zeigen, wie man eine produziert.

In dieser Demonstration wird ein Mikro-CT-Scan der Wirbelsäule einer Maus erhalten.

Zuerst erhalten Sie eine Probe, die in Agarose-Gel suspendiert wird. Die Probe sollte in einem dünnwandigen Kunststoffrohr ausgehärtet werden, um Probenbewegungen und Austrocknung zu verhindern. Die Rohrwände sollten so dünn wie möglich sein, um den Signaldurchsatz zu reduzieren und die Bildqualität insgesamt zu verbessern.

Montieren Sie dann das Rohr auf der Probenbühne mit Klebeband oder indem Sie einen benutzerdefinierten Ständer anbringen. Stellen Sie sicher, dass die Probe stationär und stabil ist, wenn sich die Bühne dreht. Schalten Sie nun die Röntgenquelle ein und stellen Sie sie auf eine Energie von 90 Kiloelektronenvolt oder eine Spannung von 90 Kilovolt ein, und stellen Sie die Leistung auf acht Watt ein. Sobald sich die Quelle erwärmt, erfassen Sie ein Bild über die Systemsoftware. Stellen Sie für die automatische Erfassung und Anwendung sicher, dass sich die Probe in eine bestimmte Richtung bewegen kann, ohne abzustürzen. Überprüfen Sie den Übertragungswert, indem Sie das Bild mit einem Luftbild normalisieren.

Wenn ein Bild zu hoch ist, senken Sie die Energie schrittweise, bis der Übertragungswert ausreicht. Wenn das Bild zu niedrig ist, erhöhen Sie die Energie schrittweise, bis der Übertragungswert ausreicht. Wenn die Probe laut oder körnig erscheint, erhöhen Sie die Belichtungszeit nach Bedarf.

Als Nächstes verschieben Sie die Röntgenquelle so nah wie möglich an die Probe, um den Durchsatz zu maximieren und die bestmögliche Auflösung zu erhalten. Achten Sie darauf, sie nicht zusammenzustürzen. Verfeinern Sie das Sichtfeld der Probe, indem Sie die Probenstufe mit ihren Linearantrieben verschieben. Suchen Sie dann die Pixelgröße des Bildes. Wenn das CT-System die optische Vergrößerung unterstützt, indem es das Röntgensignal in sichtbares Lichtsignal umwandelt, versuchen Sie verschiedene optische Objektive und Detektorpositionen. Beachten Sie jedoch, dass sich dies auf die Scanparameter auswirkt.

Nach den notwendigen Anpassungen finden Sie die optimale Belichtungszeit. Drehen Sie die Probe langsam in Zwei-Grad-Schritten, während Sie ihre Position relativ zur Quelle und zum Detektor über die In-Cabinet-Kamera überwachen. Verschieben Sie die Quelle und den Detektor weiter auseinander, wenn es zu einer Kollision kommen kann.

Schließlich finden Sie die längste Röntgenpfadlänge, die zu der niedrigsten Anzahl von Zählungen führt, und bestimmen Sie die Belichtungszeit, die für ungefähr 5.000 Zählungen überall benötigt wird.

Sehen wir uns nun an, wie eine Reihe von Bildern erfasst werden kann. Wählen Sie zunächst einen Scan über 180 Grad oder 360 Grad basierend auf dem Seitenverhältnis der Stichprobe aus. Wählen Sie für hohe Seitenverhältnisse einen 180-Grad-Scan aus, und wählen Sie für niedrige Seitenverhältnisse einen 360-Grad-Scan aus. Wenn die Länge des Röntgenpfads in einer Richtung vier- oder mehrmal größer ist als die andere, wählen Sie einen 180-Grad-Scan aus.

Wählen Sie als Nächstes die Anzahl der Projektionen und die gesamte Winkelverschiebung aus, die den Winkel zwischen den Projektionen diktieren. Ein kleinerer Winkel verringert die Interpolation von Fein-Feature-Informationen, erhöht jedoch die Scanzeit. Eine Faustregel ist, mindestens 800 Projektionen zu haben, aber in der Regel nicht mehr als 3.200 Projektionen über einen 360-Grad-Scan.

Geben Sie nun den Scan ein. Die vollständige Serie von Röntgenbildern wird in der Größenordnung von ein paar bis dutzend Stunden zu erwerben. Sobald der Scan abgeschlossen ist, laden Sie die Serie von 2D-Bildern in die Rekonstruktionssoftware. Wählen Sie nun die optimalen Zentrverschiebungskorrekturen aus, sodass die Bilder um eine gemeinsame Achse ausgerichtet sind. Dieser Wert liegt in der Regel irgendwo zwischen negativen zehn und zehn Pixeln.

Wählen Sie als Nächstes den optimalen Strahlhärtekorrekturkoeffizienten aus. Dadurch werden falsche Kontraste entfernt, die von der niederenergetischen Röntgendämpfung herleiten. Ein Durchschnittswert liegt irgendwo zwischen zeri und 0.5. Dann reichen Sie die Rekonstruktion ein. Sobald der Micro-CT-Scan rekonstruiert wurde, sind die Ergebnisse zur Analyse bereit.

Hier ist ein repräsentativer Mikro-CT-Scan, der mit diesem Verfahren erhalten wurde. Hier sehen wir das 3D-Volumen eines Mausrückenmarks. Die weitere Bildverarbeitung zwei digitale Querschnittsslices ermöglicht quantitative Daten wie Materialporosität, und die Funktionsgröße kann mit Software-Tools abgerufen werden. Der Abstand zwischen den Abschnitten eines Wirbels und intervertebraen Gängen wurde gemessen, um in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern zu sein.

Hier ist ein weiterer Mikro-CT-Scan, der von einem Rattenknie erhalten wurde. Wir können die Porosität des kortikalen Knochens sehen und den Abstand innerhalb des kortikalen Knochens eines Rattenknies und die Dicke des Gelenkknorpels messen.

Sie haben gerade einen Mikro-CT-Scan einer mineralisierten biologischen Probe gesehen, aber die Anwendungen der 3D-Röntgentomographie erstrecken sich auf die Welten der Mikroelektronik, Geologie, additiven Fertigung, Brennstoffzellen und mehr. Wir werden einige andere Fälle untersuchen.

Hochauflösende Röntgenbilder von tierischen Weichgeweben können trotz ihrer natürlichen geringen Röntgenabsorption erhalten werden. Dies wird durch die Verwendung von einfachen Kontrastfärbung erreicht. In diesem Beispiel wird ein Maus-Hinterhirn mit Lugols Jodlösung vor der Bildgebung gefärbt. Anschließend wird die Probe vorbereitet, geladen und Röntgenbilder aufgenommen. Schließlich wird ein Mikro-CT-Scan erstellt, der deutlich Läsionen im Hinterhirn zeigt.

Micro-CT kann verwendet werden, um die Mikrostruktur von elektronischen Geräten zu charakterisieren. In diesem Beispiel wird eine LED gescannt. Micro-CT-Scans ermöglichen es Ingenieuren, Gerätefehler zu analysieren oder ein Gerät zurückzuentwickeln.

Aus Mikro-CT-Daten können dreidimensionale Strukturen erstellt werden. In diesem Beispiel wird eine Ratte beäschen und gescannt. Die Daten können dann analysiert werden, um die Knochenstruktur vom umgebenden Gewebe zu unterscheiden. Schließlich kann ein physisches Modell des Ergebnisses mit einem 3D-Drucker erstellt werden.

Sie haben sich gerade JoVeEs Einführung bei der Erstellung von 3D-Mikro-CT-Scans aus 2D-Röntgenbildern angesehen. Sie sollten nun die Prinzipien hinter der Röntgenbildgebung, die Beziehung zwischen Röntgenbildern und CT-Scans, die Herstellung eines Mikro-CT-Scans einer Probe und einige Anwendungen verstehen. Danke fürs Zuschauen!

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