Microtomografía de rayos X

La microtomografía de rayos X , como la tomografía y la tomografía computarizada 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. El prefijo micro- (símbolo: µ) se utiliza para indicar que los tamaños de píxeles de las secciones transversales están en el rango de micrómetros . [2] Estos tamaños de píxeles también han dado lugar a los términos tomografía de rayos X de alta resolución , micro-tomografía computarizada ( micro-CT o µCT) y términos similares. A veces, los términos TC de alta resolución (HRCT) y micro-TC se diferencian, [3] pero en otros casos se utiliza el término micro-TC de alta resolución . [4] Prácticamente toda la tomografía actual es tomografía computarizada.

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Representación 3D de un micro CT de un saltamontes .
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Representación 3D de un escaneo µCT de una hoja, resolución de alrededor de 40 µm / voxel .
Análisis μCT dos fases de Ti2AlC / Al fase MAX compuesto [1]

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 TC clínico, 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 típicamente 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]

Sistema de imagen

Reconstrucción de 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 la imagen.

Sistemas abiertos / cerrados

Sistema abierto de rayos X

En un sistema abierto, los rayos X pueden escapar 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 una habitación diferente. Los 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 un blindaje contra rayos X alrededor del escáner para que el operador pueda colocar el escáner en un escritorio o 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 inofensivo de rayos X, los escaneos repetidos en un período corto de tiempo podrían representar un peligro. Los detectores digitales con pequeños pasos de píxeles y tubos de rayos X de microenfoque se utilizan generalmente para producir imágenes de alta resolución. [6]

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

El principio

Debido a que los escáneres de microtomografía ofrecen una resolución isótropa o casi isótropa, la visualización de imágenes no necesita estar restringida a las imágenes axiales convencionales. En cambio, es posible que un programa de software cree un volumen "apilando" los cortes individuales uno encima del otro. Entonces, el programa puede mostrar el volumen de una manera alternativa.

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. [7] [8] ASTRA Toolbox es una caja de herramientas de MATLAB 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 desarrollada conjuntamente desde 2014 por iMinds-VisionLab, UAntwerpen y CWI, Amsterdam. La caja de herramientas admite haz paralelo, de abanico y de cono, con un posicionamiento de fuente / detector altamente flexible. Hay disponible una gran cantidad de algoritmos de reconstrucción, incluidos FBP, ART, SIRT, SART, CGLS.

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

Representación de volumen

La representación de volumen es una técnica que se utiliza para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D, tal como lo produce un escáner de microtomografía. Por lo general, estos se adquieren en un patrón regular (por ejemplo, un corte por milímetro) y generalmente 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 reproducción de volumen. La solución se llama segmentación , un procedimiento manual o automático que puede eliminar las estructuras no deseadas de la imagen.

Arqueología

Biomédico

  • Imágenes de animales pequeños tanto in vitro como in vivo
  • Neuronas [10]
  • Muestras de piel humana
  • Muestras de huesos, incluidos dientes, [11] que varían en tamaño desde roedores hasta biopsias humanas.
  • Imágenes pulmonares mediante compuerta respiratoria
  • Imágenes cardiovasculares mediante activación cardíaca
  • Imágenes del ojo humano, microestructuras oculares y tumores [12]
  • Imágenes del tumor (puede requerir agentes de contraste)
  • Imágenes de tejidos blandos [13]
  • Insectos [14]
  • Parasitología: migración de parásitos, [15] morfología del parásito [16] [17]

Biología del desarrollo

  • Seguimiento del desarrollo del tigre de Tasmania extinto durante el crecimiento en la bolsa [18]
  • Organismos modelo y no modelo (elefantes, [19] pez cebra, [20] y ballenas [21] )

Electrónica

  • Pequeños componentes electrónicos. Por ejemplo, DRAM IC en caja de plástico.

Microdispositivos

  • Boquilla de pulverización

Materiales compuestos y espumas metálicas

  • Cerámica y composites cerámica-metal. [1] Análisis microestructural e investigación de fallas
  • Material compuesto con fibras de vidrio de 10 a 12 micrómetros de diámetro

Polímeros , plásticos

  • Espuma de plastico

Diamantes

  • Detectar defectos en un diamante y encontrar la mejor forma de cortarlo.

Alimentos y semillas

  • Imágenes tridimensionales de alimentos mediante microtomografía de rayos X [22]
  • Análisis del estrés por calor y sequía en los cultivos alimentarios [23]

Madera y papel

  • Pieza de madera para visualizar la periodicidad del año y la estructura celular.

Materiales de construcción

  • Hormigón después de la carga

Geología

En geología se utiliza para analizar microporos en las rocas del yacimiento, se puede utilizar en análisis de microfacies para estratigrafía secuencial. 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.

  • Arenisca
  • Estudios de porosidad y flujo

Fósiles

  • Vertebrados
  • Invertebrados [24]

Microfósiles

Microtomografía de rayos X de un radiolario , Triplococcus acanthicus
Este es 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. [25]
  • Foraminíferos bentónicos

Paleografía

  • Cartas de correspondencia desplegadas digitalmente que empleaban bloqueo de letras . [26] [27]

Espacio

  • Localización de partículas similares al polvo de estrellas en aerogel mediante técnicas de rayos X [28]
  • Muestras devueltas del asteroide 25143 Itokawa por la misión Hayabusa [29]

Imágenes estéreo

  • Visualización con filtros azules y verdes o azules para ver la profundidad

Otros

  • Cigarrillos
  • Desarrollo de insectos [30] [31]
  • Nidos de insectos sociales [32]

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