stringtranslate.com

microtomografía de rayos X

Representación 3D de una micro tomografía computarizada de un saltamontes .
Representación 3D de una exploración µCT de un trozo de hoja, resolución de aproximadamente 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 pueden usarse para recrear un modelo virtual ( modelo 3D ) sin destruir el objeto original. Es similar a la tomografía y a la tomografía computarizada de rayos X. El prefijo micro- (símbolo: µ) se utiliza para indicar que los tamaños de píxeles de las secciones transversales están en el rango micrométrico . [2] Estos tamaños de píxeles también han dado lugar a la creación de sus sinónimos tomografía de rayos X de alta resolución , tomografía microcomputada ( micro-CT o µCT ) y términos similares. A veces se diferencian los términos tomografía computarizada de alta resolución (TCAR) 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.

Micro-CT tiene aplicaciones tanto en imágenes médicas como en 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 el escaneo mientras la muestra/animal gira. La segunda configuración, mucho más parecida a un escáner de tomografía computarizada clínica, se basa en un pórtico donde el animal/espécimen 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 los años 1980. Las primeras imágenes microtomográficas de rayos X publicadas fueron rebanadas reconstruidas de un pequeño caracol tropical, con un tamaño de píxel de unos 50 micrómetros. [5]

Principio de funcionamiento

sistema de imagen

Reconstrucción del haz de abanico

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

Reconstrucción de haz cónico

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

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 u operar el escáner desde una distancia o en una habitación diferente. Ejemplos típicos de estos escáneres son las versiones humanas o diseñadas para objetos grandes.

Sistema de rayos X cerrado

En un sistema cerrado, se coloca una protección contra rayos X alrededor del escáner para que el operador pueda colocar el escáner sobre un escritorio o mesa especial. Aunque el escáner está blindado, se debe tener cuidado y el operador suele llevar 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 de rayos X relativamente inofensivo, los escaneos repetidos en un período corto de tiempo podrían representar un peligro. Generalmente se emplean detectores digitales con tamaños de píxeles pequeños y tubos de rayos X de microenfoque para producir imágenes de alta resolución. [6]

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

Reconstrucción de imágenes 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" las porciones individuales una encima de la otra. Luego, el programa puede 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] ASTRA Toolbox es una caja de herramientas de 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 visualización 3D, tomviz es una popular herramienta de código abierto para tomografía. [ cita necesaria ]

Representación de volumen

La representación de volumen es una técnica utilizada para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D, producido por un escáner de microtomografía. Normalmente, estos se adquieren en un patrón regular, por ejemplo, un corte cada milímetro, y normalmente tienen un número regular de píxeles de imagen en un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, con cada elemento de volumen o vóxel representado por un valor único que se obtiene muestreando el área inmediata que rodea al vóxel.

Segmentación de imagen

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

Uso típico

Arqueología

Biomédico

Biología del desarrollo

Electrónica

Microdispositivos

Materiales compuestos y espumas metálicas

Polímeros , plásticos

diamantes

Alimentos y semillas

madera y papel

Materiales de construcción

Geología

En geología se utiliza para analizar microporos en las rocas yacimiento, [32] [33] se puede utilizar en análisis de microfacies para estratigrafía de secuencia. En la exploración de petróleo 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 estéreo

Otros

Ver también

Referencias

  1. ^ ab Hanaor, DAH; Hu, L.; Kan, WH; Proust, G.; Foley, M.; Karaman, I.; Radovic, M. (2019). "Rendimiento a la compresión y propagación de grietas en compuestos de aleación de Al / Ti 2 AlC". Ciencia e ingeniería de materiales A. 672 : 247–256. arXiv : 1908.08757 . Código Bib : 2019arXiv190808757H. doi :10.1016/j.msea.2016.06.073. S2CID  201645244.
  2. ^ Rayos X + microtomografía en los títulos 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 mediante 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-CT de alta resolución para la evaluación morfológica y cuantitativa de la sinusoide en el hemangioma cavernoso del hígado humano", 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 microtomografía computarizada in vivo". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 807 : 129-136. Código Bib : 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 de 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 casi en tiempo real en la fuente avanzada de fotones. Estados Unidos. Departamento de Energía. 1999.
  11. ^ Andrä, Heiko; Combaret, Nicolás; Dvorkin, Jack; Glatt, Erik; Han, Junehee; Kabel, Matías; Keehm, Youngseuk; Krzikalla, Fabián; Lee, Minhui; Virgen, Claudio; Pantano, Mike; Mukerji, Tapan; Saenger, Erik H.; Sain, Ratnanabha; Saxena, Nishank (1 de enero de 2013). "Parámetros de referencia de la física de rocas digitales: Parte I: imágenes y segmentación". Computadoras y geociencias . Problemas de referencia, conjuntos de datos y metodologías para las geociencias computacionales. 50 : 25–32. Código Bib : 2013CG.....50...25A. doi : 10.1016/j.cageo.2012.09.005. ISSN  0098-3004. S2CID  5722082.
  12. ^ Fu J, Thomas HR, Li C (enero de 2021). "Tortuosidad de medios porosos: análisis de imágenes y simulación física" (PDF) . Reseñas de ciencias de la tierra . 212 : 103439. Código bibliográfico : 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 odontológica". 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 destructivos mediante técnicas mejoradas de imágenes de rayos X". MÁS UNO . 12 (1): e0170633. Código Bib : 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". Ciencia . 333 (6038): 52. Bibcode : 2011Sci...333...52V. doi : 10.1126/ciencia.1204245. PMID  21719669. S2CID  8527127.
  19. ^ Lowe T, Garwood RJ, Simonsen TJ, Bradley RS, Withers PJ (julio de 2013). "Metamorfosis revelada: imágenes tridimensionales en lapso de tiempo dentro de una crisálida viva". Revista de la Royal Society, Interfaz . 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". Informes científicos . 7 (1): 1373. Código bibliográfico : 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. ^ Nunca, Christoph; Keiler, Jonás; Glenner, Henrik (1 de julio de 2016). "Primera reconstrucción 3D del sistema radicular rizocéfalo mediante MicroCT". Revista de investigación del mar . Ecología y Evolución de Parásitos y Enfermedades Marinas. 113 : 58–64. Código Bib : 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 alimentación y apego 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 brillo muestran atrapamientos de aire dentro de las tabletas". Direcciones actuales en ingeniería biomédica . 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). "Dejar que el 'gato' salga de la bolsa: desarrollo joven de la bolsa del extinto tigre de Tasmania revelado por tomografía computarizada de rayos X". Ciencia abierta de la Royal Society . 5 (2): 171914. Código bibliográfico : 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 momento de osificación en mamíferos placentarios". Actas. Ciencias Biologicas . 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 y otros. (mayo de 2019). "Fenotipado histológico computacional 3D de pez cebra completo mediante histotomografía de rayos X". eVida . 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. (01/11/2017). "Análisis no destructivo y de alto contenido de las características del grano de trigo mediante microtomografía computarizada de rayos X". Métodos vegetales . 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 una mozzarella chirriante". Direcciones actuales en ingeniería biomédica . 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). "Mejora de la porosidad de la roca del yacimiento mediante dimensión fractal mediante tomografía microcomputarizada 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. ^ Sol, 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 multiescala". Revista de ciencia e ingeniería del petróleo . 175 : 654–664. Código Bib : 2019JPSE..175..654S. doi :10.1016/j.petrol.2018.12.075. ISSN  0920-4105. S2CID  104311947.
  34. ^ Andrä, Heiko; Combaret, Nicolás; Dvorkin, Jack; Glatt, Erik; Han, Junehee; Kabel, Matías; Keehm, Youngseuk; Krzikalla, Fabián; Lee, Minhui; Virgen, Claudio; Pantano, Mike; Mukerji, Tapan; Saenger, Erik H.; Sain, Ratnanabha; Saxena, Nishank (1 de enero de 2013). "Parámetros de referencia de la física de rocas digitales: parte II: Computación de propiedades efectivas". Computadoras y Geociencias . Problemas de referencia, conjuntos de datos y metodologías para las geociencias computacionales. 50 : 33–43. Código Bib : 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, Víctor (2021-02-01). "El papel de la microporosidad en la permeabilidad de reservorios geotérmicos alojados en volcanes: un estudio de caso de Los Humeros, México". Geotermia . 90 : 102020. Código bibliográfico : 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 por microtomografía de rayos X de alta fidelidad de arácnidos del Carbonífero alojados en siderita". Cartas de biología . 5 (6): 841–4. doi :10.1098/rsbl.2009.0464. PMC 2828000 . PMID  19656861. 
  37. ^ Kachovich, S., Sheng, J. y Aitchison, JC, 2019. Agregar una nueva dimensión a las investigaciones de la evolución temprana de los radiolarios. Informes científicos, 9(1), págs.1-10. doi :10.1038/s41598-019-42771-0.
  38. ^ Castellanos, Sara (2 de marzo de 2021). "Se ha leído una carta sellada durante siglos, sin siquiera abrirla". El periodico de Wall Street . Consultado el 2 de marzo de 2021 .
  39. ^ Dambrogio, Jana; Ghassaei, Amanda; Staraza Smith, Daniel; Jackson, acebo; Demaine, Martin L. (2 de marzo de 2021). "Desbloquear la historia mediante el despliegue virtual automatizado de documentos sellados obtenidos mediante microtomografía de rayos X". Comunicaciones de la naturaleza . 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, hijo; Graham, Georgia (2003). "Localización de partículas similares a polvo de estrellas en aerogel mediante técnicas de rayos X" (PDF) . Ciencia lunar y planetaria . XXXIV : 1228. Código bibliográfico : 2003LPI....34.1228J.{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  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 forma de los nidos de insectos sociales". La Revista de Biología Experimental . 220 (Parte 1): 83–91. doi : 10.1242/jeb.143347 . PMID  28057831.

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la microtomografía de rayos X.