Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с микротомографии )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Трехмерный рендеринг микро-компьютерной томографии древоточца .
3D-рендеринг микроконтактной томографии листа, разрешение около 40 мкм / воксель .
Две фазы μCT анализ Ti2AlC / Al фазы MAX композита [1]

Рентгеновская микротомография , такая как томография и рентгеновская компьютерная томография , использует рентгеновские лучи для создания поперечных сечений физического объекта, которые можно использовать для воссоздания виртуальной модели ( 3D-модели ) без разрушения исходного объекта. Префикс микро (символ: μ) используются для указания того, что пиксельных размеры поперечных сечений находятся в микрометрах диапазона. [2] Эти размеры пикселей также привели к появлению терминов « рентгеновская томография высокого разрешения» , « микрокомпьютерная томография» ( микро-КТ или мкКТ).) и аналогичные термины. Иногда термины КТ высокого разрешения (ВРКТ) и микро-КТ различают [3], но в других случаях используется термин микро-КТ высокого разрешения . [4] Практически вся томография сегодня - это компьютерная томография.

Микро-КТ применяется как в медицинской визуализации, так и в промышленной компьютерной томографии . В общем, существует два типа настроек сканера. В одной установке источник рентгеновского излучения и детектор обычно неподвижны во время сканирования, в то время как образец / животное вращается. Вторая установка, больше похожая на клинический компьютерный томограф, основана на гентри, где животное / образец неподвижно в космосе, а рентгеновская трубка и детектор вращаются вокруг. Эти сканеры обычно используются для небольших животных ( сканеры in vivo ), биомедицинских образцов, пищевых продуктов, микрофоссилий и других исследований, для которых требуется мельчайшая детализация.

Первая система рентгеновской микротомографии была задумана и построена Джимом Эллиоттом в начале 1980-х годов. Первые опубликованные рентгеновские микротомографические изображения представляли собой реконструированные срезы небольшой тропической улитки с размером пикселя около 50 микрометров. [5]

Принцип работы [ править ]

Система визуализации [ править ]

Реконструкция веерной балки [ править ]

Система веерного луча основана на одномерном (1D) детекторе рентгеновского излучения и электронном источнике рентгеновского излучения, которые создают двумерные поперечные сечения объекта. Обычно используется в системах компьютерной томографии человека .

Реконструкция конической балки [ править ]

Система конического луча основана на 2D-детекторе рентгеновского излучения ( камере ) и электронном источнике рентгеновского излучения, создавая проекционные изображения, которые позже будут использоваться для восстановления поперечных сечений изображения.

Открытые / закрытые системы [ править ]

Открытая рентгеновская система [ править ]

В открытой системе рентгеновские лучи могут выходить или просачиваться, поэтому оператор должен оставаться за экраном, иметь специальную защитную одежду или управлять сканером на расстоянии или в другом помещении. Типичными примерами этих сканеров являются версии для людей или предназначенные для больших объектов.

Закрытая рентгеновская система [ править ]

В закрытой системе вокруг сканера устанавливается защита от рентгеновских лучей, поэтому оператор может поставить сканер на стол или специальный стол. Хотя сканер экранирован, необходимо соблюдать осторожность, и оператор обычно носит дозиметр, поскольку рентгеновские лучи имеют тенденцию поглощаться металлом, а затем повторно излучаться, как антенна. Хотя обычный сканер производит относительно безвредный объем рентгеновских лучей, повторное сканирование за короткий промежуток времени может представлять опасность. Цифровые детекторы с малым шагом пикселей и рентгеновские трубки с микрофокусом обычно используются для получения изображений с высоким разрешением. [6]

Закрытые системы имеют тенденцию становиться очень тяжелыми, потому что свинец используется для защиты от рентгеновских лучей. Поэтому в меньших сканерах остается мало места для образцов.

Реконструкция 3D-изображения [ править ]

Принцип [ править ]

Поскольку микротомографические сканеры предлагают изотропное или почти изотропное разрешение, отображение изображений не должно ограничиваться обычными осевыми изображениями. Вместо этого программа может создать том, «наложив» отдельные срезы один на другой. Затем программа может отображать объем другим способом.

Программное обеспечение для реконструкции изображений [ править ]

Для рентгеновской микротомографии доступно мощное программное обеспечение с открытым исходным кодом, такое как набор инструментов ASTRA. [7] [8] ASTRA Toolbox - это набор инструментов MATLAB, состоящий из высокопроизводительных примитивов графического процессора для 2D и 3D томографии, с 2009 по 2014 год, разработанный iMinds-Vision Lab , Университет Антверпена, а с 2014 года совместно разработанный iMinds-VisionLab, UAntwerpen. и CWI, Амстердам. Набор инструментов поддерживает параллельный, веерный и конический луч с очень гибким расположением источника / детектора. Доступно большое количество алгоритмов реконструкции, включая FBP, ART, SIRT, SART, CGLS.

Для трехмерной визуализации tomviz - популярный инструмент для томографии с открытым исходным кодом.

Объемный рендеринг [ править ]

Объемный рендеринг - это метод, используемый для отображения двухмерной проекции набора трехмерных дискретно выбранных данных, созданных с помощью микротомографического сканера. Обычно они получают в виде регулярного шаблона (например, один срез на каждый миллиметр) и обычно имеют регулярное количество пикселей изображения в регулярном шаблоне. Это пример регулярной объемной сетки с каждым элементом объема или вокселем, представленным одним значением, которое получается путем выборки непосредственной области, окружающей воксель.

Сегментация изображения [ править ]

Если разные структуры имеют одинаковую пороговую плотность, их невозможно разделить, просто настроив параметры объемного рендеринга. Решение называется сегментацией , ручной или автоматической процедурой, с помощью которой можно удалить нежелательные структуры с изображения.

Типичное использование [ править ]

Археология [ править ]

  • Восстановление поврежденных огнем артефактов, таких как свиток Эн-Геди и папирусы Геркуланума.
  • Распаковка клинописных табличек, завернутых в глиняные конверты [9] и глиняные жетоны.

Биомедицинские [ править ]

  • И в пробирке и в естественных условиях небольшого изображения животных
  • Образцы кожи человека
  • Образцы костей, включая зубы [10] , размером от грызунов до биоптатов человека.
  • Визуализация легких с использованием респираторного стробирования
  • Визуализация сердечно-сосудистой системы с использованием стробирования сердца
  • Визуализация человеческого глаза, глазных микроструктур и опухолей [11]
  • Визуализация опухоли (могут потребоваться контрастные вещества)
  • Визуализация мягких тканей [12]
  • Насекомые [13]
  • Паразитология - миграция паразитов, [14] морфология паразитов [15] [16]

Биология развития

  • Отслеживание развития вымершего тасманского тигра во время роста в сумке [17]
  • Модельные и немодельные организмы (слоны [18] данио [19] и киты [20] )

Электроника [ править ]

  • Мелкие электронные компоненты. Например, микросхема DRAM IC в пластиковом корпусе.

Микроустройства [ править ]

  • Форсунки

Композиционные материалы и металлические пены [ править ]

  • Керамика и композиты керамика – металл. [1] Микроструктурный анализ и исследование отказов.
  • Композитный материал со стекловолокном диаметром от 10 до 12 мкм.

Полимеры , пластмассы [ править ]

  • Пенопласт

Бриллианты [ править ]

  • Выявление дефектов в алмазе и поиск наилучшего способа его огранки.

Еда и семена [ править ]

  • Трехмерное изображение пищевых продуктов с помощью рентгеновской микротомографии [21]
  • Анализ стресса от жары и засухи для продовольственных культур [22]

Дерево и бумага [ править ]

  • Кусок дерева для визуализации периодичности года и структуры ячеек

Строительные материалы [ править ]

  • Бетон после загрузки

Геология [ править ]

В геологии он используется для анализа микропор в породах-коллекторах, его можно использовать в анализе микрофаций для стратиграфии последовательностей. При разведке нефти он используется для моделирования потока нефти под микропорами и наночастицами.

Он может дать разрешение до 1 нм.

  • Песчаник
  • Исследования пористости и текучести

Ископаемые [ править ]

  • Позвоночные
  • Беспозвоночные [23]

Микрофоссилий [ править ]

Рентгеновская микротомография радиолярия , Triplococcus acanthicus
Это микрофоссилий среднего ордовика с четырьмя вложенными сферами. Самая внутренняя сфера выделена красным. Каждый сегмент показан в одном масштабе. [24]
  • Придонные фораминиферы

Палеография [ править ]

  • Электронные письма с развёртыванием в цифровом формате, в которых используется блокировка букв . [25] [26]

Пробел [ править ]

  • Обнаружение частиц, подобных звездной пыли, в аэрогеле с помощью рентгеновских методов [27]
  • Образцы вернувшихся из астероидных 25143 Итокава по Hayabusa миссии [28]

Стерео изображения [ править ]

  • Визуализация с помощью синих и зеленых или синих фильтров, чтобы увидеть глубину

Другое [ править ]

  • Сигареты
  • Развитие насекомых [29] [30]
  • Социальные гнезда насекомых [31]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Ханаор, ДАХ; Hu, L .; Кан, WH; Пруст, Г .; Foley, M .; Караман, И .; Радович, М. (2019). « Характеристики сжатия и распространение трещин в композитах Al сплав / Ti 2 AlC». Материаловедение и инжиниринг . 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . Bibcode : 2019arXiv190808757H . DOI : 10.1016 / j.msea.2016.06.073 .
  2. ^ Рентген + микротомография в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  3. ^ Дам Кэрролл Дж. Р., Чандра А., Джонс А. С., Беренд Н., Магнуссен Дж. С., Кинг Г. Г. (2006-07-26), «Размеры дыхательных путей, измеренные с помощью микрокомпьютерной томографии и компьютерной томографии высокого разрешения», Eur Respir J , 28 ( 4): 712-720, DOI : 10,1183 / 09031936.06.00012405 , PMID 16870669 . 
  4. ^ Дуан Дж, Ху С, Чен Х (2013-01-07), «Микро-КТ высокого разрешения для морфологической и количественной оценки синусоиды в кавернозной гемангиоме печени человека», PLOS One , 8 (1): e53507 , Bibcode : 2013PLoSO ... 853507D , DOI : 10.1371 / journal.pone.0053507 , PMC 3538536 , PMID 23308240 .  
  5. ^ Elliott, JC; Довер, SD (1982). «Рентгеновская микротомография». Журнал микроскопии . 126 (2): 211–213. DOI : 10.1111 / j.1365-2818.1982.tb00376.x . PMID 7086891 . 
  6. ↑ Ghani MU, Zhou Z, Ren L, Li Y, Zheng B, Yang K, Liu H (январь 2016 г.). «Исследование характеристик пространственного разрешения системы микрокомпьютерной томографии in vivo» . Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 807 : 129–136. Bibcode : 2016NIMPA.807..129G . DOI : 10.1016 / j.nima.2015.11.007 . PMC 4668590 . PMID 26640309 .  
  7. ^ Ван Аарло Вт, Palenstijn WJ, Де Beenhouwer Дж, Altantzis Т, Bals S, Batenburg КДж, Sijbers J (октябрь 2015). «ASTRA Toolbox: платформа для разработки передовых алгоритмов электронной томографии» . Ультрамикроскопия . 157 : 35–47. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2015.05.002 . PMID 26057688 . 
  8. ^ van Aarle W, Palenstijn WJ, Cant J, Janssens E, Bleichrodt F, Dabravolski A, et al. (Октябрь 2016 г.). «Быстрая и гибкая рентгеновская томография с использованием инструментария ASTRA» . Оптика Экспресс . 24 (22): 25129–25147. Bibcode : 2016OExpr..2425129V . DOI : 10,1364 / OE.24.025129 . PMID 27828452 . 
  9. ^ Распаковка клинописи, завернутой в глиняный конверт, на YouTube . Обработка и визуализация данных с использованием GigaMesh Software Framework , см. DOI: 10.11588 / heidok.00026892 .
  10. ^ Дэвис, GR; Эвершед, АН; Миллс, Д. (май 2013 г.). «Количественная высококонтрастная рентгеновская микротомография для стоматологических исследований» . J Dent . 41 (5): 475–82. PMID 23380275 . Проверено 3 марта 2021 года . 
  11. ^ Эндерс С., Брейг Э.М., Шерер К., Вернер Дж. Ю, Ланг Г. К., Ланг Г. Е. и др. (2017-01-27). «Передовые методы неразрушающей визуализации глаза с помощью улучшенных методов рентгеновской визуализации» . PLOS ONE . 12 (1): e0170633. Bibcode : 2017PLoSO..1270633E . DOI : 10.1371 / journal.pone.0170633 . PMC 5271321 . PMID 28129364 .  
  12. ↑ Mizutani R, Suzuki Y (февраль 2012 г.). «Рентгеновская микротомография в биологии». Микрон . 43 (2–3): 104–15. arXiv : 1609.02263 . DOI : 10.1016 / j.micron.2011.10.002 . PMID 22036251 . 
  13. ^ Ван де Камп T, Vagovič P, T Баумбах, Riedel A (июль 2011). «Биологический винт в ноге жука». Наука . 333 (6038): 52. Bibcode : 2011Sci ... 333 ... 52V . DOI : 10.1126 / science.1204245 . PMID 21719669 . 
  14. ^ Bulantová Дж, Macháček Т, Панска л, Крейчи Ж, Карч Дж, Jährling Н, и др. (Апрель 2016 г.). «Trichobilharzia regenti (Schistosomatidae): методы трехмерной визуализации для характеристики миграции личинок через ЦНС позвоночных». Микрон . 83 : 62–71. DOI : 10.1016 / j.micron.2016.01.009 . PMID 26897588 . 
  15. ^ Ноевер, Кристоф; Кейлер, Йонас; Гленнер, Хенрик (01.07.2016). «Первая трехмерная реконструкция корневой системы ризоцефалана с помощью MicroCT» . Журнал морских исследований . Экология и эволюция морских паразитов и болезней. 113 : 58–64. Bibcode : 2016JSR ... 113 ... 58N . DOI : 10.1016 / j.seares.2015.08.002 .
  16. ^ Наглер С, Хауг JT (2016-01-01). «Функциональная морфология паразитических равноногих: понимание морфологической адаптации структур прикрепления и питания у Nerocila как предпосылка для реконструкции эволюции Cymothoidae» . PeerJ . 4 : e2188. DOI : 10,7717 / peerj.2188 . PMC 4941765 . PMID 27441121 .  
  17. ^ Newton AH, Spoutil F, Prochazka J, Black JR, Medlock K, Paddle RN и др. (Февраль 2018). «Выпуск« кошки »из мешка: детеныш вымершего тасманского тигра в мешочке, выявленный с помощью рентгеновской компьютерной томографии» . Королевское общество «Открытая наука» . 5 (2): 171914. Bibcode : 2018RSOS .... 571914N . DOI : 10,1098 / rsos.171914 . PMC 5830782 . PMID 29515893 .  
  18. ^ Hautier L, Stansfield FJ, Allen WR, Ашер RJ (июнь 2012). «Развитие скелета у африканского слона и время окостенения у плацентарных млекопитающих» . Ход работы. Биологические науки . 279 (1736): 2188–95. DOI : 10.1098 / rspb.2011.2481 . PMC 3321712 . PMID 22298853 .  
  19. ^ Ding Y, Vanselow DJ, Яковлев MA, Katz SR, Lin AY, Clark DP и др. (Май 2019 г.). «Компьютерное трехмерное гистологическое фенотипирование всей рыбки данио с помощью рентгеновской гистотомографии» . eLife . 8 . DOI : 10.7554 / eLife.44898 . PMC 6559789 . PMID 31063133 .  
  20. ^ Хампа О, Франк Н, Hipsley СА, Kardjilov Н, J Мюллера (май 2015 г.). «Пренатальная оссификация черепа горбатого кита (Megaptera novaeangliae)». Журнал морфологии . 276 (5): 564–82. DOI : 10.1002 / jmor.20367 . PMID 25728778 . 
  21. ↑ Джерард ван Дален, Хан Блонк, Хенри ван Алст, Крис Луенго Хендрикс. Трехмерное изображение пищевых продуктов с использованием рентгеновской микротомографии. Архивировано 19 июля 2011 года на Wayback Machine . GIT Imaging & Microscopy (март 2003 г.), стр. 18–21.
  22. ^ Hughes N, Askew K, Scotson CP, Williams K, Sauze C, Corke F и др. (2017-11-01). «Неразрушающий анализ высокого содержания зерна пшеницы с использованием рентгеновской микрокомпьютерной томографии» . Растительные методы . 13 (1): 76. DOI : 10,1186 / s13007-017-0229-8 . PMC 5664813 . PMID 29118820 .  
  23. ^ Гарвуд R, Dunlop JA, Sutton MD (декабрь 2009). "Реконструкция высокоточной рентгеновской микротомографии обитающих в сидерите паукообразных каменноугольных отложений" . Письма о биологии . 5 (6): 841–4. DOI : 10.1098 / RSBL.2009.0464 . PMC 2828000 . PMID 19656861 .  
  24. ^ Kachovich, S., Sheng, J. и Aitchison, JC, 2019 Добавление нового измерения к исследованиям ранней радиоляриевой эволюции. Научные отчеты, 9 (1), стр. 1-10. DOI : 10.1038 / s41598-019-42771-0 .
  25. ↑ Кастелланос, Сара (2 марта 2021 г.). «Письмо, запечатанное веками, прочитали, даже не открыв» . The Wall Street Journal . Проверено 2 марта 2021 года .
  26. ^ Дамброджо, Яна; Гасаи, Аманда; Стараза Смит, Дэниел; Джексон, Холли; Демейн, Мартин Л. (2 марта 2021 г.). «Открытие истории с помощью автоматического виртуального разворачивания запечатанных документов, полученных с помощью рентгеновской микротомографии» . Nature Communications . Проверено 2 марта 2021 года .
  27. ^ Юревич, AJG; Джонс, С. М.; Цапин, А .; Mih, DT; Connolly, HC, Jr .; Грэм, Джорджия (2003). «Обнаружение частиц, подобных звездной пыли, в аэрогеле с помощью рентгеновских методов» (PDF) . Луна и планетология . XXXIV : 1228. Bibcode : 2003LPI .... 34.1228J . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. ^ Tsuchiyama А, Уэсуги М, Matsushima , Т, Т Michikami, Кадоно Т, Т Накамура и др. (Август 2011 г.). «Трехмерная структура образцов Хаябуса: происхождение и эволюция реголита Итокава». Наука . 333 (6046): 1125–8. Bibcode : 2011Sci ... 333.1125T . DOI : 10.1126 / science.1207807 . PMID 21868671 . 
  29. Перейти ↑ Lowe T, Garwood RJ, Simonsen TJ, Bradley RS, Withers PJ (июль 2013 г.). «Метаморфоза раскрыта: покадровая трехмерная съемка внутри живой куколки» . Журнал Королевского общества, Интерфейс . 10 (84): 20130304. DOI : 10.1098 / rsif.2013.0304 . PMC 3673169 . PMID 23676900 .  
  30. ^ Онелли ОД, Kamp ТВ, Skepper Ю.Н., Пауэлл Дж, Rolo ТД, Баумбах Т, Vignolini S (май 2017 г.). «Развитие структурной окраски у листоедов» . Научные отчеты . 7 (1): 1373. Bibcode : 2017NatSR ... 7.1373O . DOI : 10.1038 / s41598-017-01496-8 . PMC 5430951 . PMID 28465577 .  
  31. ^ Перна А, Theraulaz G (январь 2017). «Когда в глине лепят социальное поведение: о росте и форме гнезд социальных насекомых» . Журнал экспериментальной биологии . 220 (Pt 1): 83–91. DOI : 10,1242 / jeb.143347 . PMID 28057831 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Микрокомпьютерная томография: методология и применение
  • Синхротронная и несинхротронная рентгеновская микротомография - трехмерное изображение прорастания костной ткани в биоматериалах из фосфата кальция
  • Микрофокусная рентгеновская компьютерная томография в материаловедении
  • Обнаружение частиц, похожих на звездную пыль, в аэрогеле с помощью рентгеновских методов
  • Использование микро КТ для изучения камней в почках
  • Использование микро КТ в офтальмологии
  • Применение рентгеновского ультрамикроскопа Gatan (XuM) для исследования материалов и биологических образцов
  • Трехмерная синхротронная рентгеновская микротомография образцов красок [ постоянная мертвая ссылка ]