オークリッジ国立研究所の高フラックス同位体原子炉における中性子ラジオグラフィーと生体システムのコンピューター断層撮影

栄養X線撮影とコンピューター断層撮影は、水素原子に対する栄養素の感受性により、生物学的サンプルを測定するために独自の位置にあります。これらの技術の主な利点は、組織サンプル中の水素含有量または植物の根および土壌中の水分含有量の非破壊的かつ非侵襲的な3次元マップを提供することです。栄養イメージングは、エネルギー材料、材料科学、工学、植物、土壌、水の動きなど、さまざまな研究分野に適用できます。

この技術は、放射線被曝のリスクがあるため、治療や研究所の診断には使用できません。しかしながら、例えば、切除された小さな無傷の腫瘍における腫瘍縁を決定するために使用することができる。この手法に興味のある個人は、私たちに連絡して研究の質問について話し合うことをお勧めします。

当社の情報は、当社のウェブサイト、neutrons.ornl.gov で入手できます。手順を実演するのは、中性子散乱科学者のYuxuan Zang、コンピューター機器科学者のJean Bilheux、およびイメージングチームの科学アソシエイトであるErik Stringfellowです。まず、ビームラインコンピュータのターミナルウィンドウを開きます。

CSS と入力し、Enter キーを押してユーザー インターフェイスを起動します。デフォルトで開いていない場合は、「メニュー」タブの「ユーザー・ホーム」オプションを選択して、APEXイメージング・インタフェースを開きます。インターフェースの最初のタブであるProposalCameraSEデバイスで、カメラ/検出器の横にある光学ボタンをクリックしてビームライン光学系を選択します。

スリットボタンをクリックして、ピンホールの開口部サイズとスリットシステムの開口部を設定します。サンプルを配置するXYステージに回転ステージをボルトで固定します。CCD以外の検出器を使用する場合は、希望する空間分解能と焦点距離に応じてレンズを選択してください。

カメラの焦点を合わせた後、中性子シンチレータの位置に画像の焦点を合わせます。次に、検出器シンチレータに対して中性子吸収分解能マスクを配置し、中性子でレンズの焦点を微調整します。次に、APEXを使用して、検出器モーターの移動を自動化し、ミラーから異なる検出器位置を使用して過剰なX線写真を収集します。

フィジーやImageJなどの画像ソフトウェアツールでラインペアを評価して、X線写真を比較します。次に、サンプルを適切なアルミニウム容器または頑丈なアルミホイルに固定し、検出器のできるだけ近い回転ステージにサンプルを置きます。サンプルと検出器の距離を測定し、サンプルを除去します。

これを解像度マスクに置き換えて、このビームライン構成のサンプル位置のピクセルサイズを評価します。既知の特徴寸法を使用して、特徴全体のピクセル数を評価し、ピクセルサイズを決定します。回転ステージ上にサンプルを再配置します。

次に、APEXインタフェースの「サンプルの位置合わせ」タブを使用して、サンプルが検出器の全画面になるまで移動している間に連続した高速X線写真を撮影して、サンプルを中性子ビームに合わせます。サンプルの配置ファイルを保存します。CTスキャンを開始する前に、[サンプルの位置合わせ]タブをクリックし、[自動サンプル回転チェック]オプションを使用して、ビームを使用して異なるサンプル向きで生成されたX線写真を評価することにより、サンプルがさまざまな角度で視野にとどまっていることを確認します。

「プロポーザルカメラSEデバイス」という名前の最初のAPEXタブを選択します。[提案の切り替え] または [サンプル] ボタンをクリックします。右側のサンプルリストと左側の提案リストで測定するプロジェクト番号とサンプルIDを選択します。

戻る矢印を使用して、メインAPEXインタフェースに戻ります。カメラ検出器オプションリストで、使用可能な4つの検出器やCCD、sCMOS、SBIG CCD、またはMCPから検出器を選択します。[サンプル環境デバイス]セクションで、[回転ステージ、CTスキャン]をクリックします。

次に、スキャンするサンプルに対応する回転ステージの1つを選択します。タブの下部で、[データ収集モード]を選択し、[ホワイトビーム]を選択します。次に、「サンプルの整列」という名前の2番目のAPEXタブを選択します。

サンプル ファイル名を入力し、Enter キーを押します。 サブフォルダ名についても繰り返します。サンプルが整列し、CTの準備ができていると仮定します。希望の取得時間を選択し、[クイック画像の撮影]ボタンをクリックして、取得時間の異なる一連のX線写真を収集します。

信号対雑音比を評価するには、収集したX線写真をImageJまたはFijiで開き、サンプルからオープンエリアまでのプロファイルをプロットします。複数の回転ステージでXYステージに複数のサンプルをセットする場合は、アライメント後に各サンプル位置を記録し、[ファイルに保存]ボタンをクリックしてデータをCSVファイルとして保存します。次に、「データの収集」というタイトルの3番目のAPEXタブを選択して、CTスキャン・パラメータを設定します。

書き込み可能な最初の行にファイル名を入力し、Enter キーを押します。 サブフォルダ名についても繰り返します。[保存されたファイルを使用してサンプルを位置合わせ]セクションで、サンプルモーターの位置を以前に記録したファイルを選択します。

[ファイルを使用して整列]をクリックして、サンプルを中性子ビームの元の位置に戻します。ナイキストの定理に基づいて射影の数を計算するには、まず、サンプルの水平方向の次元全体のピクセル数を計算し、1.5を掛けて、ナイキストのサンプリングを満たすために必要な射影の数を取得します。回転開始角度、回転終了角度、回転ステップサイズ、ステップあたりの画像数、各画像の露光時間を入力します。

[データの収集]ボタンをクリックしてCTスキャンを開始します。Linux 解析サーバで、トップメニューのショートカットである [アプリケーション]、[解析-イメージングと CT 再構成] の順にクリックして、Imaris 3D ノートブックにアクセスします。コードの最初の数行を実行すると、Imaris 3Dを実行するために必要なツールが読み込まれます。

データをフラットで暗視野でロードします。3 つのデータ・セットがすべて正しくロードされていることを確認します。画像内の関心領域を選択して、データをトリミングします。

必要に応じて、フィルタリング セクションのコードを実行して、フィルタリングを実行します。正規化を進め、続いてビーム変動補正を行います。画像から背景領域を選択し、続いて減衰まで送信します。

次に、コードを使用して傾きを計算し、傾き補正を適用することにより、自動サンプル傾斜補正を実行します。次に、ストライク除去と回転中心計算を実行します。次に、体積再構成を実行し、データを表示します。

Sharedという名前のプロジェクト番号フォルダにデータを保存します。次に、施設解析サーバーで Amira ソフトウェアをオンにし、再構築されたスライスをソフトウェアにロードして、視覚化、さらにフィルタリング、および解析を続行します。この実験プロトコルをガイドし、人為的ミスを最小限に抑えるために、カスタム設計されたインターフェースが開発されました。

インターフェースは、サンプルを測定する前に必要なステップを論理的に移動します。チタンインプラントを用いたラットの大腿骨の中性子コンピュータ断層撮影(NCT)がここに示されています。大腿骨の偽色減衰に基づくNCTと、インプラントを明らかにするための骨を斜めに切断した。

インプラントは骨材料ほど中性子と相互作用しないため、減衰は最小限であり、周囲の骨よりも暗く見えます。大腿骨の髄質腔内に存在する骨梁は、サンプルの近位端にはっきりと見えます。軟部組織標本を検出する中性子の能力は、エタノール固定マウス肺で実証されました。

肺の再構成された容積はNCTから得られた。肺の右葉を通る切り傷がここに示されています。長方形のアルミニウム容器内の植物の根と土壌システムの偽色の体積レンダリングも得られました。

信号対雑音比が低いにもかかわらず、土壌中の根系はサンプルの垂直方向の切り込みではっきりと見えます。記録された画像を物理的な寸法に中継できるように、ピクセルサイズを評価することが重要です。3Dボリューム再構成の品質は、ナイキストの定理に従った適切なサンプリングに依存しています。

中性子グレーディング干渉法などのより高度な中性子イメージング技術は、同様の手順に従って実行できます。これらの新しい方法は、多孔質材料の3次元ナノ多孔性分布などの質問に答えます。中性子ラジオグラフィーとコンピューター断層撮影は、幅広い科学的影響を及ぼします。

これらの技術は、バッテリーとその故障メカニズムの応用と理解です。3Dプリントされたもの、考古学、生物学、腫瘍のより良い局在化などの高度な材料の挙動。