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マウス脊髄のマイクロCTイメージング
 

マウス脊髄のマイクロCTイメージング

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マイクロ CT スキャンは、さまざまな向きで一連の X 線画像から作成される 3 次元画像です。物理学の最初のノーベル賞は、彼の妻の手をイメージングすることによって示されたX線の発見とその使用のために1901年にロントゲン博士に授与されました。

X線吸収イメージングは、特に大学の研究室や病院において不可欠なツールであり続けています。最も先進的な用途の1つは、一連の2次元X線投影を行って3次元体積を再構築することです。これはコンピュータ断層撮影またはCTとして知られています。

このビデオでは、X線画像を取得し、それらを使用してマイクロCTスキャンを生成する方法を示し、技術の原理を説明し、最後に、そのアプリケーションのいくつかについて説明します。

次に、X線画像がどのように形成されているかを見て、それらをマイクロCTスキャンに組み立てる背後にある原理を見てみましょう。

典型的なマイクロCTシステムは、3つの主要なコンポーネント、X線源、サンプルの回転ステージ、および検出器を備えています。X線源では、負の荷電電子が真空中で撮影され、標的を打って相互作用します。電子はターゲット材料を通して減速し、X線を放出します。このX線発生の現象は、ブレムスストラルン、またはブレーキ放射として知られています。その後、X線はソースを離れ、検出器に到着する前にサンプルによって吸収、散乱、または送信されます。吸収は、マイクロCTで測定される主要な相互作用であり、これはサンプル中の異なる材料によるX線吸収の大きなばらつきによるものです。

骨は原子カルシウムを多く含み、軟部組織よりもX線を吸収します。吸収されたX線は検出器に届かせず、骨はX線で白く見えます。断層撮影の出力は、3D ボリュームに再構築できるさまざまな方向の一連の 2D 投影です。検出器でサンプルと信号に十分な減衰が必要になるように、X線エネルギーのバランスをとる必要があります。

測定されたX線の強度、またはX線数は、I、減衰前の強度、I-naught、材料の質量吸収係数、μ、材料の密度、rho、およびX線経路の長さに依存し、X.理想的には、伝送値I以上I-naughtは、サンプルのすべての向きに対して5〜95%の間で、中間範囲で最良の結果を得る必要があります。この値は、サンプルの画像を取得し、画像のピクセル値を空気の画像のピクセル値で除算することによってチェックされます。

マイクロ CT スキャンの背後にある原則を理解したので、次に、それを生成する方法を示します。

このデモでは、マウスの脊柱のマイクロCTスキャンが得られます。

まず、アガロースゲル中に懸濁した試料を得る。サンプルの動きや脱水を防ぐために、薄肉のプラスチックチューブでサンプルを硬化させるべきです。チューブの壁は、信号スループットを低下させ、全体的な画質を向上させるために、できるだけ薄くする必要があります。

次に、テープを使用するか、カスタムスタンドを作ることによって、サンプルステージにチューブを取り付けます。ステージが回転するときに、サンプルが静止して安定していることを確認します。次に、X線源をオンにして、90キロ電子ボルトまたは90キロボルトの電圧のエネルギーに設定し、電力を8ワットに設定します。ソースがウォームアップしたら、システムソフトウェアを介して画像を取得します。自動集録とアプリケーションの場合は、サンプルがクラッシュすることなく特定の方向に移動できることを確認します。空気の画像に対して画像を正規化して送信値を確認します。

画像の伝送が大きすぎる場合は、伝送値が十分になるまでエネルギーを徐々に下げます。画像の伝送が少なすぎる場合は、伝送値が十分になるまでエネルギーを徐々に増やします。サンプルがうるまたは粒状に見える場合は、必要に応じて露光時間を長くします。

次に、X線源をできるだけサンプルの近くに移動して、スループットを最大化し、可能な限り最高の解像度を得ます。それらを一緒にクラッシュしないように注意してください。リニアアクチュエータを使用してサンプルステージをシフトすることにより、サンプルの視野を絞り込みます。次に、画像のピクセル サイズを見つけます。CTシステムがX線信号を可視光信号に変換して光学倍率をサポートしている場合は、異なる光学目的と検出器位置を試してください。ただし、これはスキャン パラメータに影響を与える点に注意してください。

必要な調整を行った後、最適な露光時間を見つけます。キャビネットカメラを介してソースと検出器に対する相対的な位置を監視しながら、サンプルを2度ずつゆっくりと回転させます。衝突が発生する可能性がある場合は、ソースと検出器をさらに離して移動します。

最後に、最小数のカウントをもたらす最長のX線経路長を見つけ、どこでも約5,000カウントに必要な露光時間を決定します。

それでは、一連の画像を取得する方法を見てみましょう。まず、サンプルのアスペクト比に基づいて、180 度または 360 度のスキャンを選択します。高いアスペクト比の場合は、180 度のスキャンを選択し、低アスペクト比の場合は 360 度スキャンを選択します。X線経路の長さが一方向の4倍以上の場合は、180度のスキャンを選択します。

次に、投影間の角度を決定する投影の数と総角度変位を選択します。角度を小さくすると、微細なフィーチャ情報の補間量が減少しますが、スキャン時間は長くなります。経験則では、少なくとも 800 個の投影法が必要ですが、通常は 360 度のスキャンで 3,200 を超える投影法を使用する必要があります。

次に、スキャンを送信します。X線画像の完全なシリーズは、取得するために数時間から数十時間の順序で取ります。スキャンが完了したら、一連の 2D イメージを再構築ソフトウェアにロードします。次に、画像が共有軸の周りに整列するように、最適な中心シフト補正を選択します。通常、この値は負の 10 ~ 10 ピクセルの間です。

次に、最適なビーム硬化補正係数を選択します。これは低エネルギーX線減衰から導出される偽のコントラストを除去する。平均値は、ゼリと 0.5 の間のどこかです。その後、再構築を提出します。マイクロCTスキャンが再構築されると、結果は分析の準備が整います。

ここでは、この手順を使用して得られた代表的なマイクロCTスキャンです。ここでは、マウスの脊髄の3D体積を見ます。さらに2つのデジタル断面スライスを画像処理することで、材料の空隙率などの定量データが可能になり、ソフトウェアツールを使用して特徴サイズを得ることができます。椎骨と椎間の通路の間の間隔は、数百ミクロンの順序で測定された。

ここでは、ラットの膝から得られた別のマイクロCTスキャンです。皮質骨の空隙率を見ることができ、ラットの膝の皮質骨内の間隔と関節軟骨の厚さを測定することができます。

あなたは、ミネラル化された生物学的サンプルのマイクロCTスキャンを見たばかりですが、3D X線断層撮影の応用は、マイクロエレクトロニクス、地質学、添加剤製造、燃料電池などの世界にまで及びます。他のいくつかの例を調べます。

動物の軟部組織の高解像度X線画像は、その自然な低X線吸収にもかかわらず得ることができる。これは、単純なコントラスト染色を使用することによって達成される。この例では、マウスの後ろ脳は、イメージングの前にLugolのヨウ素溶液を使用して染色される。次に、サンプルを準備し、ロードし、X線画像を撮影します。最後に、マイクロCTスキャンは、後部脳の病変を明確に示して作成される。

マイクロCTは、電子機器のマイクロ構造を特徴付けるために使用することができます。この例では、LED がスキャンされます。マイクロCTスキャンにより、エンジニアはデバイスの故障を分析したり、デバイスをリバースエンジニアリングしたりできます。

マイクロCTデータから3次元構造を作成できます。この例では、ラットは麻酔され、スキャンされます。その後、データを分析して、骨の構造と周囲の組織を区別することができます。最後に、3D プリンターを使用して結果の物理モデルを作成できます。

2D X線画像から3DマイクロCTスキャンを作成するJoVEの概要を見たところです。X線イメージングの原理、X線画像とCTスキャンの関係、サンプルのマイクロCTスキャンの生成方法、および一部のアプリケーションを理解する必要があります。見ていただきありがとうございます!

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