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Microtomografía de rayos X

Representación 3D de una micro TC de un insecto saltahojas .
Representación 3D de una exploración μCT de un trozo de hoja, resolución aproximada de 40 μm/ vóxel .
Análisis μCT de dos fases del compuesto de fase Ti2AlC/Al MAX [1]

En radiografía , la microtomografía de rayos X utiliza rayos X para crear secciones transversales de un objeto físico que se pueden usar para recrear un modelo virtual ( modelo 3D ) sin destruir el objeto original. Es similar a la tomografía y la tomografía computarizada de rayos X. El prefijo micro- (símbolo: μ) se utiliza para indicar que los tamaños de píxel de las secciones transversales están en el rango micrométrico . [2] Estos tamaños de píxel también han dado lugar a la creación de sus sinónimos tomografía de rayos X de alta resolución , microtomografía computarizada ( micro-CT o μCT ) y términos similares. A veces se diferencian los términos tomografía computarizada de alta resolución (HRCT) y micro-CT, [3] pero en otros casos se utiliza el término micro-CT de alta resolución . [4] Prácticamente toda la tomografía actual es tomografía computarizada.

La microtomografía computarizada tiene aplicaciones tanto en la obtención de imágenes médicas como en la tomografía computarizada industrial . En general, existen dos tipos de configuraciones de escáner. En una configuración, la fuente de rayos X y el detector suelen estar estacionarios durante la exploración mientras la muestra/animal gira. La segunda configuración, mucho más parecida a un escáner de TC clínico, se basa en un pórtico donde el animal/muestra está estacionario en el espacio mientras el tubo de rayos X y el detector giran. Estos escáneres se utilizan normalmente para animales pequeños ( escáneres in vivo ), muestras biomédicas, alimentos, microfósiles y otros estudios para los que se desean detalles minuciosos.

El primer sistema de microtomografía de rayos X fue concebido y construido por Jim Elliott a principios de la década de 1980. Las primeras imágenes microtomográficas de rayos X publicadas fueron cortes reconstruidos de un pequeño caracol tropical, con un tamaño de píxel de aproximadamente 50 micrómetros. [5]

Principio de funcionamiento

Sistema de imágenes

Reconstrucción con haz de abanico

El sistema de haz en abanico se basa en un detector de rayos X unidimensional (1D) y una fuente electrónica de rayos X, que crea secciones transversales 2D del objeto. Se utiliza habitualmente en sistemas de tomografía computarizada humana .

Reconstrucción con haz cónico

El sistema de haz cónico se basa en un detector de rayos X 2D ( cámara ) y una fuente electrónica de rayos X, creando imágenes de proyección que luego se utilizarán para reconstruir las secciones transversales de la imagen.

Sistemas abiertos/cerrados

Sistema de rayos X abierto

En un sistema abierto, los rayos X pueden escaparse o filtrarse, por lo que el operador debe permanecer detrás de un escudo, tener ropa protectora especial o manejar el escáner a distancia o en una habitación diferente. Ejemplos típicos de estos escáneres son las versiones para humanos o los diseñados para objetos grandes.

Sistema de rayos X cerrado

En un sistema cerrado, se coloca un blindaje contra rayos X alrededor del escáner para que el operador pueda colocarlo sobre un escritorio o una mesa especial. Aunque el escáner está blindado, se debe tener cuidado y el operador generalmente lleva un dosímetro, ya que los rayos X tienden a ser absorbidos por el metal y luego reemitidos como una antena. Aunque un escáner típico producirá un volumen relativamente inocuo de rayos X, las exploraciones repetidas en un corto período de tiempo podrían representar un peligro. Por lo general, se emplean detectores digitales con pasos de píxeles pequeños y tubos de rayos X de microfoco para obtener imágenes de alta resolución. [6]

Los sistemas cerrados tienden a resultar muy pesados ​​porque se utiliza plomo para proteger los rayos X. Por lo tanto, los escáneres más pequeños sólo tienen un espacio reducido para las muestras.

Reconstrucción de imágenes en 3D

El principio

Debido a que los escáneres de microtomografía ofrecen una resolución isotrópica o casi isotrópica, la visualización de imágenes no necesita limitarse a las imágenes axiales convencionales. En cambio, es posible que un programa de software construya un volumen "apilando" los cortes individuales uno sobre otro. El programa puede entonces mostrar el volumen de una manera alternativa. [7]

Software de reconstrucción de imágenes

Para la microtomografía de rayos X, se encuentra disponible un potente software de código abierto, como la caja de herramientas ASTRA. [8] [9] La caja de herramientas ASTRA es una caja de herramientas MATLAB y Python de primitivas de GPU de alto rendimiento para tomografía 2D y 3D, desarrollada de 2009 a 2014 por iMinds-Vision Lab, Universidad de Amberes y desde 2014 desarrollada conjuntamente por iMinds-VisionLab, UAntwerpen y CWI, Ámsterdam. La caja de herramientas admite haces paralelos, en abanico y cónicos, con un posicionamiento de fuente/detector altamente flexible. Hay disponible una gran cantidad de algoritmos de reconstrucción, incluidos FBP, ART, SIRT, SART, CGLS. [10]

Para la visualización 3D, tomviz es una herramienta popular de código abierto para tomografía. [ cita requerida ]

Representación de volumen

La representación volumétrica es una técnica que se utiliza para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D, tal como se produce mediante un escáner de microtomografía. Por lo general, estos datos se adquieren en un patrón regular, por ejemplo, un corte cada milímetro, y suelen tener una cantidad regular de píxeles de imagen en un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, en la que cada elemento de volumen o vóxel está representado por un único valor que se obtiene al muestrear el área inmediata que rodea al vóxel.

Segmentación de imágenes

Cuando diferentes estructuras tienen una densidad umbral similar, puede resultar imposible separarlas simplemente ajustando los parámetros de representación del volumen. La solución se denomina segmentación , un procedimiento manual o automático que puede eliminar las estructuras no deseadas de la imagen. [11] [12]

Uso típico

Arqueología

Biomédica

Biología del desarrollo

Electrónica

Microdispositivos

Materiales compuestosy espumas metálicas

Polímeros, plásticos

Diamantes

Alimentoy semillas

Maderay papel

Materiales de construcción

Geología

En geología se utiliza para analizar microporos en las rocas del yacimiento, [32] [33] se puede utilizar en el análisis de microfacies para la estratigrafía secuencial. En la exploración petrolera se utiliza para modelar el flujo de petróleo bajo microporos y nanopartículas.

Puede dar una resolución de hasta 1 nm.

Fósiles

Microfósiles

Microtomografía de rayos X de un radiolario , Triplococcus acanthicus
Se trata de un microfósil del Ordovícico medio con cuatro esferas anidadas. La esfera más interna está resaltada en rojo. Cada segmento se muestra a la misma escala. [37]

Paleografía

Espacio

Imágenes estereoscópicas

Otros

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Hanaor, DAH; Hu, L.; Kan, WH; Proust, G.; Foley, M.; Karaman, I.; Radovic, M. (2019). "Rendimiento compresivo y propagación de grietas en compuestos de aleación de Al/Ti2AlC". Ciencia e ingeniería de materiales A . 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . Código Bibliográfico :2019arXiv190808757H. doi :10.1016/j.msea.2016.06.073. S2CID  201645244.
  2. ^ Microtomografía de rayos X en los encabezados de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
  3. ^ Dame Carroll JR, Chandra A, Jones AS, Berend N, Magnussen JS, King GG (26 de julio de 2006), "Dimensiones de las vías respiratorias medidas a partir de tomografía microcomputarizada y tomografía computarizada de alta resolución", Eur Respir J , 28 (4): 712–720, doi : 10.1183/09031936.06.00012405 , PMID  16870669.
  4. ^ Duan J, Hu C, Chen H (7 de enero de 2013), "Micro-TC de alta resolución para la evaluación morfológica y cuantitativa del sinusoide en el hemangioma cavernoso humano del hígado", PLOS One , 8 (1): e53507, Bibcode :2013PLoSO...853507D, doi : 10.1371/journal.pone.0053507 , PMC 3538536 , PMID  23308240. 
  5. ^ Elliott JC, Dover SD (1982). "Microtomografía de rayos X". Revista de microscopía . 126 (2): 211–213. doi :10.1111/j.1365-2818.1982.tb00376.x. PMID  7086891. S2CID  2231984.
  6. ^ Ghani MU, Zhou Z, Ren L, Li Y, Zheng B, Yang K, Liu H (enero de 2016). "Investigación de las características de resolución espacial de un sistema de micro tomografía computarizada in vivo". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 807 : 129–136. Bibcode :2016NIMPA.807..129G. doi : 10.1016/j.nima.2015.11.007. PMC 4668590. PMID  26640309. 
  7. ^ Carmignato S, Dewulf W, Leach R (2017). Tomografía computarizada por rayos X industrial. Heidelberg: Springer. ISBN 978-3-319-59573-3.
  8. ^ van Aarle W, Palenstijn WJ, De Beenhouwer J, Altantzis T, Bals S , Batenburg KJ, Sijbers J (octubre de 2015). "ASTRA Toolbox: una plataforma para el desarrollo de algoritmos avanzados en tomografía electrónica". Ultramicroscopía . 157 : 35–47. doi :10.1016/j.ultramic.2015.05.002. hdl : 10067/1278340151162165141 . PMID  26057688.
  9. ^ van Aarle W, Palenstijn WJ, Cant J, Janssens E, Bleichrodt F, Dabravolski A, et al. (octubre de 2016). "Tomografía de rayos X rápida y flexible utilizando la caja de herramientas de ASTRA". Óptica Express . 24 (22): 25129–25147. Código Bib : 2016OExpr..2425129V. doi : 10.1364/OE.24.025129 . hdl : 10067/1392160151162165141 . PMID  27828452.
  10. ^ Un sistema de microtomografía de rayos X en tiempo casi real en la fuente avanzada de fotones. Estados Unidos. Departamento de Energía. 1999.
  11. ^ Andrä, Heiko; Combaret, Nicolas; Dvorkin, Jack; Glatt, Erik; Han, Junehee; Kabel, Matthias; Keehm, Youngseuk; Krzikalla, Fabian; Lee, Minhui; Madonna, Claudio; Marsh, Mike; Mukerji, Tapan; Saenger, Erik H.; Sain, Ratnanabha; Saxena, Nishank (1 de enero de 2013). "Puntos de referencia de física de rocas digitales: Parte I: Imágenes y segmentación". Computers & Geosciences . Problemas de referencia, conjuntos de datos y metodologías para las geociencias computacionales. 50 : 25–32. Bibcode :2013CG.....50...25A. doi :10.1016/j.cageo.2012.09.005. ISSN  0098-3004. Número de identificación del sujeto  5722082.
  12. ^ Fu J, Thomas HR, Li C (enero de 2021). "Tortuosidad de medios porosos: análisis de imágenes y simulación física" (PDF) . Earth-Science Reviews . 212 : 103439. Bibcode :2021ESRv..21203439F. doi :10.1016/j.earscirev.2020.103439. S2CID  229386129.
  13. ^ Desembalaje de una tablilla cuneiforme envuelta en un sobre de arcilla en YouTube . Procesamiento y visualización de datos utilizando el marco de software GigaMesh , cf. doi:10.11588/heidok.00026892.
  14. ^ Depannemaecker, Damien; Santos, Luiz E. Cantón; de Almeida, Antonio-Carlos Guimarães; Ferreira, Gustavo BS; Baraldi, Giovanni L.; Miqueles, Eduardo X.; de Carvalho, Murilo; Costa, Gabriel Schubert Ruíz; Marques, Marcia J. Guimarães; Scorza, Carla A.; Rinkel, Jean (21 de agosto de 2019). "Nanopartículas de oro para microtomografía de neuronas por rayos X". ACS Neurociencia Química . 10 (8): 3404–3408. doi :10.1021/acschemneuro.9b00290. PMID  31274276. S2CID  195805317.
  15. ^ Davis, GR; Evershed, AN; Mills, D (mayo de 2013). "Microtomografía cuantitativa de rayos X de alto contraste para la investigación dental". J. Dent . 41 (5): 475–82. doi :10.1016/j.jdent.2013.01.010. PMID  23380275 . Consultado el 3 de marzo de 2021 .
  16. ^ Enders C, Braig EM, Scherer K, Werner JU, Lang GK, Lang GE, et al. (27 de enero de 2017). "Métodos avanzados de visualización ocular no destructiva mediante técnicas mejoradas de obtención de imágenes por rayos X". PLOS ONE . ​​12 (1): e0170633. Bibcode :2017PLoSO..1270633E. doi : 10.1371/journal.pone.0170633 . PMC 5271321 . PMID  28129364. 
  17. ^ Mizutani R, Suzuki Y (febrero de 2012). "Microtomografía de rayos X en biología". Micron . 43 (2–3): 104–15. arXiv : 1609.02263 . doi :10.1016/j.micron.2011.10.002. PMID  22036251. S2CID  13261178.
  18. ^ van de Kamp T, Vagovič P, Baumbach T, Riedel A (julio de 2011). "Un tornillo biológico en la pata de un escarabajo". Science . 333 (6038): 52. Bibcode :2011Sci...333...52V. doi :10.1126/science.1204245. PMID  21719669. S2CID  8527127.
  19. ^ Lowe T, Garwood RJ, Simonsen TJ, Bradley RS, Withers PJ (julio de 2013). "Metamorfosis revelada: imágenes tridimensionales con lapso de tiempo dentro de una crisálida viviente". Journal of the Royal Society, Interface . 10 (84): 20130304. doi :10.1098/rsif.2013.0304. PMC 3673169 . PMID  23676900. 
  20. ^ Onelli OD, Kamp TV, Skepper JN, Powell J, Rolo TD, Baumbach T, Vignolini S (mayo de 2017). "Desarrollo del color estructural en escarabajos de las hojas". Scientific Reports . 7 (1): 1373. Bibcode :2017NatSR...7.1373O. doi :10.1038/s41598-017-01496-8. PMC 5430951 . PMID  28465577. 
  21. ^ Bulantová J, Macháček T, Panská L, Krejčí F, Karch J, Jährling N, et al. (Abril de 2016). "Trichobilharzia regenti (Schistosomatidae): técnicas de imagen 3D en la caracterización de la migración larvaria a través del SNC de vertebrados". Micron . 83 : 62–71. doi :10.1016/j.micron.2016.01.009. PMID  26897588.
  22. ^ Noever, Christoph; Keiler, Jonas; Glenner, Henrik (1 de julio de 2016). "Primera reconstrucción 3D del sistema radicular rizocéfalo utilizando MicroCT". Journal of Sea Research . Ecología y evolución de parásitos y enfermedades marinas. 113 : 58–64. Bibcode :2016JSR...113...58N. doi : 10.1016/j.seares.2015.08.002 . hdl : 1956/12721 .
  23. ^ Nagler C, Haug JT (1 de enero de 2016). "Morfología funcional de isópodos parásitos: comprensión de las adaptaciones morfológicas de las estructuras de unión y alimentación en Nerocila como requisito previo para reconstruir la evolución de Cymothoidae". PeerJ . 4 : e2188. doi : 10.7717/peerj.2188 . PMC 4941765 . PMID  27441121. 
  24. ^ Carlson CS, Hannula M, Postema M (2022). "La tomografía microcomputarizada y la ecografía en modo de brillo muestran atrapamientos de aire dentro de las tabletas". Current Directions in Biomedical Engineering . 8 (2): 41–44. doi : 10.1515/cdbme-2022-1012 . S2CID  251981681.
  25. ^ Newton AH, Spoutil F, Prochazka J, Black JR, Medlock K, Paddle RN, et al. (febrero de 2018). "Dejando salir al 'gato' de la bolsa: el desarrollo de la cría en bolsa del extinto tigre de Tasmania revelado por tomografía computarizada con rayos X". Royal Society Open Science . 5 (2): 171914. Bibcode :2018RSOS....571914N. doi :10.1098/rsos.171914. PMC 5830782 . PMID  29515893. 
  26. ^ Hautier L, Stansfield FJ, Allen WR, Asher RJ (junio de 2012). "Desarrollo esquelético en el elefante africano y cronología de la osificación en mamíferos placentarios". Actas. Ciencias biológicas . 279 (1736): 2188–95. doi : 10.1098 /rspb.2011.2481. PMC 3321712. PMID  22298853. 
  27. ^ Ding Y, Vanselow DJ, Yakovlev MA, Katz SR, Lin AY, Clark DP, et al. (mayo de 2019). "Fenotipado histológico computacional en 3D de pez cebra entero mediante histotomografía de rayos X". eLife . 8 . doi : 10.7554/eLife.44898 . PMC 6559789 . PMID  31063133. 
  28. ^ Hampe O, Franke H, Hipsley CA, Kardjilov N, Müller J (mayo de 2015). "Osificación craneal prenatal de la ballena jorobada (Megaptera novaeangliae)". Revista de morfología . 276 (5): 564–82. doi :10.1002/jmor.20367. PMID  25728778. S2CID  43353096.
  29. ^ Gerard van Dalen, Han Blonk, Henrie van Aalst, Cris Luengo Hendriks Imágenes tridimensionales de alimentos mediante microtomografía de rayos X Archivado el 19 de julio de 2011 en Wayback Machine . GIT Imaging & Microscopy (marzo de 2003), págs. 18-21
  30. ^ Hughes N, Askew K, Scotson CP, Williams K, Sauze C, Corke F, et al. (1 de noviembre de 2017). "Análisis no destructivo de alto contenido de características del grano de trigo mediante tomografía computarizada con microrayos X". Plant Methods . 13 (1): 76. doi : 10.1186/s13007-017-0229-8 . PMC 5664813 . PMID  29118820. 
  31. ^ Nurkkala E, Hannula M, Carlson CS, Hyttinen J, Hopia A, Postema M (2023). "La tomografía microcomputarizada muestra burbujas silenciosas en mozzarella chirriante". Current Directions in Biomedical Engineering . 9 (1): 5–8. doi : 10.1515/cdbme-2023-1002 . S2CID  262087123.
  32. ^ Munawar, Muhammad Jawad; Vega, Sandra; Lin, Chengyan; Alsuwaidi, Mohammad; Ahsan, Naveed; Bhakta, Ritesh Ramesh (1 de enero de 2021). "Aumento de la porosidad de la roca del yacimiento mediante la dimensión fractal utilizando tomografía computarizada tridimensional e imágenes de microscopio electrónico de barrido bidimensional". Revista de tecnología de recursos energéticos . 143 (1). doi :10.1115/1.4047589. ISSN  0195-0738. S2CID  224851782.
  33. ^ Sun, Huafeng; Belhaj, Hadi; Tao, Guo; Vega, Sandra; Liu, Luofu (1 de abril de 2019). "Evaluación de las propiedades de las rocas para la caracterización de yacimientos carbonatados con imágenes digitales de rocas a múltiples escalas". Revista de ciencia e ingeniería del petróleo . 175 : 654–664. Código Bibliográfico :2019JPSE..175..654S. doi :10.1016/j.petrol.2018.12.075. ISSN  0920-4105. S2CID  104311947.
  34. ^ Andrä, Heiko; Combaret, Nicolas; Dvorkin, Jack; Glatt, Erik; Han, Junehee; Kabel, Matthias; Keehm, Youngseuk; Krzikalla, Fabian; Lee, Minhui; Madonna, Claudio; Marsh, Mike; Mukerji, Tapan; Saenger, Erik H.; Sain, Ratnanabha; Saxena, Nishank (1 de enero de 2013). "Puntos de referencia de física de rocas digitales: parte II: cálculo de propiedades efectivas". Computers & Geosciences . Problemas de referencia, conjuntos de datos y metodologías para las geociencias computacionales. 50 : 33–43. Bibcode :2013CG.....50...33A. doi :10.1016/j.cageo.2012.09.008. ISSN  0098-3004.
  35. ^ Cid, Héctor Eduardo; Carrasco-Núñez, Gerardo; Manea, Vlad Constantin; Vega, Sandra; Castaño, Victor (2021-02-01). "El papel de la microporosidad en la permeabilidad de yacimientos geotérmicos alojados en volcanes: un estudio de caso de Los Humeros, México". Geothermics . 90 : 102020. Bibcode :2021Geoth..9002020C. doi :10.1016/j.geothermics.2020.102020. ISSN  0375-6505. S2CID  230555156.
  36. ^ Garwood R, Dunlop JA, Sutton MD (diciembre de 2009). "Reconstrucción mediante microtomografía de rayos X de alta fidelidad de arácnidos carboníferos hospedados en siderita". Biology Letters . 5 (6): 841–4. doi :10.1098/rsbl.2009.0464. PMC 2828000 . PMID  19656861. 
  37. ^ Kachovich, S., Sheng, J. y Aitchison, JC, 2019. Añadiendo una nueva dimensión a las investigaciones sobre la evolución temprana de los radiolarios. Scientific reports, 9(1), pp.1-10. doi :10.1038/s41598-019-42771-0.
  38. ^ Castellanos, Sara (2 de marzo de 2021). "Una carta sellada durante siglos ha sido leída sin siquiera abrirla". The Wall Street Journal . Consultado el 2 de marzo de 2021 .
  39. ^ Dambrogio, Jana; Ghassaei, Amanda; Staraza Smith, Daniel; Jackson, Holly; Demaine, Martin L. (2 de marzo de 2021). "Desbloqueo de la historia a través del despliegue virtual automatizado de documentos sellados obtenidos mediante microtomografía de rayos X". Nature Communications . 12 (1): 1184. Bibcode :2021NatCo..12.1184D. doi :10.1038/s41467-021-21326-w. PMC 7925573 . PMID  33654094. 
  40. ^ Jurewicz, AJG; Jones, SM; Tsapin, A.; Mih, DT; Connolly, HC Jr.; Graham, GA (2003). "Localización de partículas similares al polvo de estrellas en aerogel utilizando técnicas de rayos X" (PDF) . Ciencia lunar y planetaria . XXXIV : 1228. Código Bibliográfico :2003LPI....34.1228J.
  41. ^ Tsuchiyama A, Uesugi M, Matsushima T, Michikami T, Kadono T, Nakamura T, et al. (Agosto de 2011). "Estructura tridimensional de muestras de Hayabusa: origen y evolución del regolito de Itokawa". Ciencia . 333 (6046): 1125–8. Código Bib : 2011 Ciencia... 333.1125T. doi : 10.1126/ciencia.1207807. PMID  21868671. S2CID  206534927.
  42. ^ Perna A, Theraulaz G (enero de 2017). "Cuando el comportamiento social se moldea en arcilla: sobre el crecimiento y la forma de los nidos de insectos sociales". The Journal of Experimental Biology . 220 (Pt 1): 83–91. doi : 10.1242/jeb.143347 . PMID  28057831.

Enlaces externos

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