Röntgenmikrotomographie - X-ray microtomography

3D-Rendering eines Mikro-CT einer Baumzikade .
3D-Rendering eines µCT-Scans eines Blattstücks, Auflösung ca. 40 µm/ Voxel .
Zwei - Phasen - μCT Analyse von Ti2AlC / Al MAX Phase Verbund

Röntgenmikrotomographie , wie Tomographie und Röntgencomputertomographie , verwendet Röntgenstrahlen Querschnitte eines physikalischen Objektes zu erzeugen , die verwendet werden können , ein virtuelles Modell (nachzubilden 3D - Modell ) , ohne das ursprüngliche Objekt zu zerstören. Das Präfix micro- (Symbol: µ) wird verwendet, um anzuzeigen, dass die Pixelgrößen der Querschnitte im Mikrometerbereich liegen. Aus diesen Pixelgrößen sind auch die Begriffe hochauflösende Röntgentomographie , Mikro-Computertomographie ( Mikro-CT oder µCT ) und ähnliche Begriffe entstanden. Manchmal werden die Begriffe hochauflösendes CT (HRCT) und Mikro-CT unterschieden, in anderen Fällen wird aber auch der Begriff hochauflösendes Mikro-CT verwendet. Nahezu alle Tomographie ist heute Computertomographie.

Micro-CT findet sowohl in der medizinischen Bildgebung als auch in der industriellen Computertomographie Anwendung . Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Scanner-Setups. Bei einem Aufbau sind die Röntgenquelle und der Detektor während des Scans typischerweise stationär, während sich die Probe/das Tier dreht. Der zweite Aufbau, der eher einem klinischen CT-Scanner ähnelt, basiert auf einer Gantry, bei der das Tier/die Probe im Raum stationär ist, während sich die Röntgenröhre und der Detektor drehen. Diese Scanner werden typischerweise für kleine Tiere ( In-vivo- Scanner), biomedizinische Proben, Lebensmittel, Mikrofossilien und andere Studien verwendet, für die kleinste Details gewünscht werden.

Das erste Röntgenmikrotomographiesystem wurde Anfang der 1980er Jahre von Jim Elliott konzipiert und gebaut. Die ersten veröffentlichten mikrotomographischen Röntgenbilder waren rekonstruierte Scheiben einer kleinen tropischen Schnecke mit einer Pixelgröße von etwa 50 Mikrometern.

Arbeitsprinzip

Bildgebungssystem

Fächerstrahlrekonstruktion

Das Fächerstrahlsystem basiert auf einem eindimensionalen (1D) Röntgendetektor und einer elektronischen Röntgenquelle, die 2D -Querschnitte des Objekts erzeugt. Typischerweise in Computertomographiesystemen des Menschen verwendet.

Kegelstrahlrekonstruktion

Das Kegelstrahlsystem basiert auf einem 2D-Röntgendetektor ( Kamera ) und einer elektronischen Röntgenquelle, wodurch Projektionsbilder erstellt werden , die später zur Rekonstruktion der Bildquerschnitte verwendet werden.

Offene/geschlossene Systeme

Offenes Röntgensystem

In einem offenen System können Röntgenstrahlen austreten oder austreten, daher muss sich der Bediener hinter einer Abschirmung aufhalten, spezielle Schutzkleidung tragen oder den Scanner aus der Ferne oder einem anderen Raum bedienen. Typische Beispiele für diese Scanner sind die menschlichen Versionen oder für große Objekte konzipiert.

Geschlossenes Röntgensystem

In einem geschlossenen System wird der Scanner mit Röntgenstrahlen abgeschirmt, sodass der Bediener den Scanner auf einen Schreibtisch oder einen speziellen Tisch stellen kann. Obwohl der Scanner abgeschirmt ist, ist Vorsicht geboten und der Bediener trägt in der Regel ein Dosimeter, da Röntgenstrahlen dazu neigen, von Metall absorbiert und dann wie eine Antenne wieder abgestrahlt zu werden. Obwohl ein typischer Scanner eine relativ harmlose Menge an Röntgenstrahlen erzeugt, können wiederholte Scans in kurzer Zeit eine Gefahr darstellen. Digitale Detektoren mit kleinen Pixelabständen und Mikrofokus-Röntgenröhren werden normalerweise verwendet, um hochauflösende Bilder zu liefern.

Geschlossene Systeme neigen dazu, sehr schwer zu werden, weil Blei verwendet wird, um die Röntgenstrahlen abzuschirmen. Daher haben die kleineren Scanner nur wenig Platz für Proben.

3D-Bildrekonstruktion

Das Prinzip

Da Mikrotomographie-Scanner eine isotrope oder nahezu isotrope Auflösung bieten , muss die Anzeige von Bildern nicht auf die herkömmlichen axialen Bilder beschränkt sein. Stattdessen ist es möglich, dass ein Softwareprogramm ein Volumen durch das „Stapeln“ der einzelnen Slices übereinander baut. Das Programm kann dann das Volumen auf alternative Weise anzeigen.

Bildrekonstruktionssoftware

Für die Röntgenmikrotomographie steht eine leistungsfähige Open-Source-Software wie die ASTRA-Toolbox zur Verfügung. Die ASTRA Toolbox ist eine MATLAB-Toolbox mit leistungsstarken GPU-Primitiven für 2D- und 3D-Tomographie, die von 2009–2014 von iMinds-Vision Lab , Universität Antwerpen und seit 2014 gemeinsam von iMinds-VisionLab, UAntwerpen und CWI, Amsterdam entwickelt wurde. Die Toolbox unterstützt Parallel-, Fächer- und Kegelstrahl mit hochflexibler Positionierung von Quelle/Detektor. Es steht eine große Anzahl von Rekonstruktionsalgorithmen zur Verfügung, darunter FBP, ART, SIRT, SART, CGLS.

Für die 3D-Visualisierung ist tomviz ein beliebtes Open-Source-Tool für die Tomographie.

Volumen-Rendering

Volume-Rendering ist eine Technik, die verwendet wird, um eine 2D-Projektion eines diskret abgetasteten 3D-Datensatzes anzuzeigen, wie er von einem Mikrotomographie-Scanner erzeugt wird. Diese werden in der Regel in einem regelmäßigen Muster erfasst (zB eine Schicht pro Millimeter) und weisen in der Regel eine regelmäßige Anzahl von Bildpixeln in einem regelmäßigen Muster auf. Dies ist ein Beispiel für ein regelmäßiges volumetrisches Gitter, bei dem jedes Volumenelement oder Voxel durch einen einzelnen Wert dargestellt wird, der durch Abtasten der unmittelbaren Umgebung des Voxels erhalten wird.

Bildsegmentierung

Wo verschiedene Strukturen eine ähnliche Schwellendichte aufweisen, kann es unmöglich werden, sie einfach durch Anpassen der Volumenwiedergabeparameter zu trennen. Die Lösung heißt Segmentierung , ein manuelles oder automatisches Verfahren, das unerwünschte Strukturen aus dem Bild entfernen kann.

Typische Verwendung

Archäologie

Biomedizin

  • Sowohl In-vitro- als auch In-vivo- Kleintierbildgebung
  • Neuronen
  • Menschliche Hautproben
  • Knochenproben, einschließlich Zähne, von Nagetieren bis zu menschlichen Biopsien
  • Lungenbildgebung mit Respiratory-Gating
  • Kardiovaskuläre Bildgebung mit Herz-Gating
  • Bildgebung des menschlichen Auges, okulärer Mikrostrukturen und Tumoren
  • Tumorbildgebung (kann Kontrastmittel erfordern)
  • Weichteilbildgebung
  • Insekten
  • Parasitologie – Migration von Parasiten, Parasitenmorphologie

Entwicklungsbiologie

  • Die Entwicklung des ausgestorbenen Tasmanischen Tigers während des Wachstums im Beutel verfolgen
  • Modell- und Nicht-Modellorganismen (Elefanten, Zebrafische und Wale)

Elektronik

  • Kleine elektronische Bauteile. ZB DRAM IC im Kunststoffgehäuse.

Mikrogeräte

Verbundwerkstoffe und Metallschäume

  • Keramik und Keramik-Metall-Komposite. Gefügeanalyse und Fehleruntersuchung
  • Verbundmaterial mit Glasfasern von 10 bis 12 Mikrometer Durchmesser

Polymere , Kunststoffe

Diamanten

Nahrung und Samen

  • 3-D-Bildgebung von Lebensmitteln mittels Röntgenmikrotomographie
  • Analyse von Hitze- und Trockenstress bei Nahrungspflanzen

Holz und Papier

  • Holzstück zur Visualisierung von Jahresperiodizität und Zellstruktur

Baumaterial

Geologie

In der Geologie wird es zur Analyse von Mikroporen in den Lagerstättengesteinen verwendet, es kann in der Mikrofaziesanalyse für die Sequenzstratigraphie verwendet werden. In Erdölexploration wird verwendet , um den Erdölstrom unter Mikroporen und Nano Teilchen zu modellieren.

Es kann eine Auflösung von bis zu 1 nm ergeben.

Fossilien

Mikrofossilien

Röntgenmikrotomographie eines Radiolarians , Triplococcus acanthicus
Dies ist ein Mikrofossil aus dem mittleren Ordovizium mit vier ineinander verschachtelten Kugeln. Die innerste Kugel ist rot markiert. Jedes Segment wird im gleichen Maßstab dargestellt.
  • Benthonische Foraminiferen

Paläographie

Platz

Stereobilder

  • Visualisierung mit blauen und grünen oder blauen Filtern, um die Tiefe zu sehen

Andere

  • Zigaretten
  • Insektenentwicklung
  • Soziale Insektennester

Verweise

Externe Links