쥐 척수의 마이크로 CT 영상

엑스레이는 0.01 - 10 nm에 이르는 파장을 가진 0.1 - 100 keV 또는 전자파의 에너지 범위를 가진 광자로 볼 수 있습니다. 엑스레이는 여러 가지 방법으로 생성될 수 있지만 여기서 토론은 연속 스펙트럼 콘 빔 X 선 이미징으로 제한됩니다. 이 엑스레이는 독일어로 "제동 방사선"을 의미하는 "Bremsstrahlung"로 알려진 현상에 의해 생성됩니다. 이는 충전된 파티클이 가속[1]을 거치면 발생합니다. X선 소스에서 음전하 전자는 진공 튜브에서 촬영되어 대상 물질(보통 텅스텐, 몰리브덴, 구리 또는 다른 금속)에 영향을 미치고 감속을 통해 X선 의 척도에 광자를 방출합니다. 감속이 균일하거나 즉각적이지 않기 때문에 연속 스펙트럼이 생성되지만,[2]에서 볼 수 있는 대상 물질의 특성 에너지를 중심으로 분포에 스파이크가 존재하지만. 다른 에너지와 대상 재료에 대한 다른 곡선이 있습니다. 이것은 마이크로 CT 검사를 수행할 때 고려해야 할 매우 중요한 일이며 이후 섹션에서 논의 될 것입니다.

일반적인 마이크로 CT 시스템은 [3]에 나와 있는 세 가지 기본 구성 요소를 특징으로 합니다. 이 시스템의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다 : a) X 선 소스, b) 샘플 장착을위한 회전 단계, CCD 검출기와 평평한 패널 또는 광학 목표. 엑스레이는 소스를 떠나 검출기에 도착하기 전에 샘플에 흡수, 전송 또는 산란됩니다. 흡수는 마이크로CT에서 측정되는 우세한 상호 작용이며, 신체의 다른 재료가 X 선을 다르게 흡수하기 때문에. 예를 들어, 뼈에는 X선을 잘 흡수하는 원자 칼슘이 많이 함유되어 있습니다. 따라서 뼈는 X선이 검출기에 도달하지 못하도록 차단하고 이미지에 그림자로 표시됩니다. 그런 다음 샘플은 점진적으로 회전되고 샘플이 360° 또는 경우에 따라 180°로 이미지될 때까지 프로세스가 반복됩니다. 단층 촬영의 출력은 3D 볼륨으로 재구성 할 수있는 다른 방향에서 일련의 2D 프로젝션입니다.

마이크로 CT는 현미경 검사법의 한 형태이며, 마이크로스케일 기능을 해결하는 기능으로부터 이름을 얻습니다. 마이크로 CT의 이 특정 범주에 대한 해상도의 한계는 소스 스팟 크기와 에너지 확산, 및 검출기의 유형 및 효능에 의해 지배된다; 엑스레이의 파장에 의한 것이 아닙니다. 마이크로 CT의이 범주에 대 한 가능한 최고의 해상도는 약 500-700 3 차원에서 nm. 하지만 그 크기의 10분의 1 또는 10분의 1을 감지할 수 있습니다.

배율은 기하학적 배율에 의해 대부분의 CT 시스템에서 수행됩니다. [3]의 이미지는 기하학적 배율의 아이디어를 보여줍니다. 그것은 쉽게 그림자 효과로 상상된다. 광원이 오브젝트에 가까울수록 됩니다. 오브젝트의 그림자가 벽이나 화면에 더 커집니다. 마찬가지로, 벽이나 화면이 고정광원과 샘플에서 멀리 이동하면 오브젝트의 그림자의 크기가 증가하지만 희미해집니다. 충분한 신호, 고해상도 및 짧은 스캔 시간을 원할 때 X 선 소스 및 검출기 작업 거리를 최적화하는 것은 매우 어렵고 정신적으로 자극적인 작업입니다. 어떤 것과 마찬가지로, 포인트 소스의 이상화가 파괴되고 수차가 위압되는 기하학적 배율에 제한이 있습니다.

마이크로 CT의 많은 과제 중 하나는 스캔이 완료되고 재구성 될 때까지 3D 볼륨의 시각적 품질이 조사자에게 다소 알려지지 않을 것이라는 것입니다. 경험이 충분하지만 몇 가지 2D 프로젝션을 신중하게 검사하면 CT 스캔에 대한 확신을 가질 수 있는 충분한 정보를 제공할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 일련의 연습이 데이터 집합에 대한 다양한 이미징 매개 변수의 영향을 발견하고 과학자에게 깨끗한 3D 볼륨을 얻는 데 필요한 이해를 갖습니다. 이 조사의 목적을 위해, 절차는 견본 모형에 국한되지 않더라도 생물학 견본은 조사될 것입니다.

샘플을 장착하는 것은 사소한 단계처럼 들리지만 가장 중요하고 간과되는 것 중 하나입니다. 어플리케이션에 관계없이 시료를 가능한 가장 컴팩트한 방식으로 장착해야 합니다. [3]의 이미지를 고려할 때 샘플이 한 방향으로 붙어 있기 때문에 소스 및 검출기 위치범위가 제한되었는지, 그리고 이것이 기하학적 배율에 어떤 영향을 미치는지 상상해 보십시오. 작동 거리 외에도 장착은 처리량에 큰 영향을 미칩니다. 샘플이 쥐의 무릎 관절이 그대로 있다면 경골과 대퇴골이 똑바로 서 있도록 샘플을 장착하는 것이 합리적입니다. 이렇게 하면 X선이 짧은 거리를 통과하고 검출기에 충분한 신호가 있을 것입니다. 시료를 장착할 때 고려해야 할 마지막 것은 안정성입니다. 마이크로 CT의 가장 큰 적은 움직임입니다. 샘플 이동의 크기가 검사의 해결에 접근하는 경우 쓸모없는 데이터가 될 수 있습니다. 이동은 마운트에 대한 고정 및 시료 조성 변화를 제어하여 제한되어야 합니다. 생물학적 샘플의 경우, 이는 스캔 기간 동안 증발을 통해 형태를 바꾸지 않도록 하는 것을 의미합니다. 아가로즈 젤또는 파라핀 필름의 얇은 층으로 래핑하는 현탁액은 탈수와 움직임을 피하기 위한 접근 방식모두 가능하다.

X선 에너지는 또한 최종 3D 볼륨의 품질에 큰 영향을 미칠 것입니다. 목표는 샘플에서 충분한 감쇠를 하면서 검출기에서 충분한 신호를 획득하는 것입니다. X선 감쇠는 방정식(1)을 따르며, 여기서 나는 최종 수(강도)이고, 나는_0은 초기 수수이고, μ 주어진 물질 및 X선 에너지(널리 게시된)에 고유한 질량 흡수 계수이며, θ는 물질의 밀도이며 x는 X선 경로 길이이다.

 (1)

이상적으로, I/I_0(일명 전송 값)은 샘플의 모든 방향에 대해 5~95% 사이여야 하며, 최상의 결과는 중간 범위 주위를 맴돌고 있다. 이 값을 확인하려면 샘플 의 이미지를 취한 다음 이미지의 픽셀 값을 공기 이미지(예: 시야 외부의 샘플)로 나눕니다. 이 정규화는 일반적으로 시스템 소프트웨어 워크플로에서 찾을 수 있습니다. 생물학적 샘플이 소스에서 X선 필터링의 사용을 요구하는 경우가 많지 않으므로 여기에 다루지 않습니다. 이상적인 전송 값을 갖는 것 외에도 샘플의 모든 부분에 이상적인 개수는 5000 개입니다. 이를 확보하려면 프로젝션당 노출 시간을 늘려야 할 수 있습니다. 이렇게 하면 전체 검사 시간이 증가합니다. 그림 1은 깨끗한 2D 프로젝션을 표시합니다.

그림 1: 0°(왼쪽) 및 90°(오른쪽)에서 공기에 대해 정상화된 마우스 척수의 2D 이미지.

다음 이미지는 위의 명시된 절차와 함께 마이크로 CT를 사용하여 얻을 수 있는 결과에 대한 개요를 제공합니다. 다양한 흡수에 대한 질적 측정은 이러한 이미지에 기초하여 직접 지적 될 수있다. 재료 다공성, 기능 크기 및 배포 등과 같은 정량적 데이터는 다른 소프트웨어에서 추가 이미지 처리를 필요로 합니다.

그림 3: 마우스 척수의 3D 부피(왼쪽)와 두 개의 디지털 단면 슬라이스(오른쪽)

이 실험은 마이크로 CT를 사용할 때 고려해야 할 많은 요인을 조사, 특히 생물학적 샘플. 이 프로젝트는 조사관이 자신의 결정이 마이크로 CT가 제공할 수 있는 데이터에 어떤 영향을 미치는지 이해할 수 있도록 설계되었습니다. 입증된 바와 같이 장착, X선 에너지, 노출 시간, 소스 및 검출기 위치 지정, 예측 수 및 총 스캔 각 배기량을 포함하여 고려해야 할 많은 종속적이고 민감한 매개 변수가 있습니다. 이 연습은 소개로 의미되며 CT 데이터 집합을 제어하는 표면만 긁힌다.

이 실험은 생물학적 시료를 이미징하는 것과 관련하여 마이크로 CT에 대한 소개를 제공하는 데 초점을 맞추었지만 3D X 선 단층 촬영의 적용은 마이크로 일렉트로닉스, 지질학, 적층 제조, 코팅, 연료 전지 등의 세계로 확장됩니다. 이러한 현미경은 검사, 고장 분석, 특성화, 품질 관리 및 비파괴 테스트에도 사용됩니다. 실제 3D 정보는 이제 파괴적이지 않은 곳에 액세스할 수 있으므로 CT에서 추출한 형상을 객체를 가상으로 테스트할 수 있는 시뮬레이션으로 가져올 수 있습니다.