橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆的中子射线照相和生物系统计算机断层扫描

1. 仪器设置（见图 3，第 3 节） 在光束线计算机上，打开终端窗口，键入 css，然后按 Enter 启动用户界面。 如果默认情况下未打开，请选择“菜单”选项卡中的“用户主页”选项以打开实验物理和工业控制系统（EPICS）成像接口。 使用界面的第一个选项卡（称为建议/相机/SE 设备），通过单击相机/探测器旁边的光学按钮来选择光束线光学元件，即通过单击狭缝按钮来选择针孔孔径大小和狭缝系统的开口。 将旋转载物台固定在要放置样品的XY载物台上，然后定位检测器（sCMOS或CCD）。对于CCD或sCMOS探测器，请与仪器团队协商，选择具有所需空间分辨率和焦距的放大倍率的镜头。首先使用光线，通过将探测器移近或远离镜子，或者手动将镜头调整到固定的探测器位置来聚焦相机。将图像聚焦在中子闪烁体的位置。 对于CCD或sCMOS探测器，使用放置在探测器闪烁体上的中子吸收分辨率掩模37，用中子微调透镜焦点。使用不同的设置（即，通过在EPICS中移动检测器电机自动从镜子上获得不同的 检测器 位置）收集连续的X光片。 通过在 ImageJ/Fiji39 或类似的图像软件工具中评估线对来比较 X 线片。 在适当的情况下，将样品固定在合适的容器（铝容器和/或铝重型箔）中，将样品放置在尽可能靠近检测器的旋转台上。使用中子（硼橡胶）和伽马（铅砖）屏蔽屏蔽探测器和设备。 测量样品到检测器的距离，然后取出样品。将其替换为分辨率掩码，以评估此光束线配置中采样位置的像素大小。使用已知特征维度，评估特征中的像素数以确定像素大小。 在旋转台上重新定位样品。 使用EPICS界面和对齐样品选项卡，在样品移动时连续拍摄快速（ms至1 s）射线照片，直到样品处于探测器的全视野中，将样品与中子束 对齐 。将样品对齐文件另存为.csv文件，该文件将在CT扫描开始前重复使用。 在开始 CT 扫描之前，请使用自动 CT 对准检查 选项（在 “对齐 ”选项卡中）通过评估射线照片，验证样品是否以不同角度保留在不同视野中，因为它们是用光束以不同的样品方向生成的。 2. 标本制备和数据采集策略 注意：动物样本方案已由田纳西大学机构动物护理和使用委员会批准用于小鼠肺，拉什大学医学中心机构动物护理和使用委员会批准用于大鼠股骨。 大鼠股骨将Ti6Al4V棒（直径1.5毫米，长度15毫米）植入雄性Sprague-Dawley大鼠的股骨中，通过股骨髁远端将它们放置在髓内空间内。 12周后处死大鼠，收获股骨。去除所有软组织（有助于中子衰减），并用盐水浸泡的纱布植入物冷冻股骨。将 2 英寸方形纱布海绵完全浸没在磷酸盐缓冲盐水 （PBS） 中，并将每个样品完全包裹在这些浸泡的海绵中（参见 材料表）。 将股骨解冻至室温以进行基于X射线的microCT扫描38，然后将其以冷冻状态运输到HFIR。在nCT之前，重新解冻样品，并在靠近CG-1D中子成像光束线的HFIR生物危害安全等级2（BSL2）实验室将其置于室温。室温下后，将样品包裹在重型铝箔中，然后将其放入铝筒中。 将圆柱体垂直放置在光束线处的旋转平台上，并在室温下从 0 到 360° 扫描光束线上的股骨，步进角为 0.25°。获取每张X光片50秒。注意：考虑到旋转载物台运动的死区时间和将每张X光片从CCD传输到数据采集计算机，扫描的总时间约为24小时。 一旦nCT完成并且样品被授权从光束线上移除，将样品带回BSL2实验室，取出容器，然后重新冷冻样品以保存以进行进一步的实验测量。 小鼠肺从死小鼠身上切除肺组织，用于与本研究无关的实验。在中子实验之前将样品固定在70%乙醇溶液中。 用重型铝箔包裹组织，并将其从BSL2实验室直接运输到CG-1D光束线。将样品插入铝筒中进行双重密封，并在nCT扫描期间保持样品在光束中的位置。 将样品靠近CCD，并在室温下进行过夜扫描。注意：每张X光片为150秒，旋转步进角为0.5°，从0到182°。扫描的总时间约为16小时。 草本植物根系/土壤系统注意：与其他生物样品一样，由于氢的强烈衰减，特别是土壤或植物根系中的水，植物 – 土壤系统的尺寸受到限制。种子或分株可以种植在容器中（Al或石英 – 两者都具有低中子衰减截面），或者可以将更成熟的植物移植到容器中。仔细挖掘并移植现场种植的当地草药（此处为桑葚草（Fatoua villosa （Thunb .）Nakai）放入横截面为2.38厘米×2.58厘米、高6.3厘米、壁厚0.055厘米、含有纯砂（SiO2）的铝容器中。 用去离子水冲洗植物根部，并小心地将它们展示在 Al 容器中，同时用湿沙浆填充容器。注意：在容器中填充土壤时，使用湿土壤很重要，因为干燥的土壤会按粒径分离并在容器中产生纹理伪影12，13。 种植后，测量植物系统的饱和重量，每天称量植物系统，以评估用水量。将水施在土壤的上表面，或使用管或注射器通过容器底部的端口或孔。注意：在这里，将工厂系统放置在秤上，每天将水施到顶部，以根据重量代替日常用水。在成像之前可以保留水分，以减少土壤含水量并增强根部的对比度。 在具有受控温度和光线的现场生长室中传播植物系统12.在成像前将植物系统维持 1 周，以使植物根部适应 Al 容器。注意：成像开始后，请勿给植物浇水。 每次在~1.75小时内执行nCT扫描，并在2.5天内连续扫描以绘制土壤和植物含水量的动态3D变化。对于这些测量，将空间分辨率降低到几百μm，有利于时间分辨率（即，每个投影的采集时间更快）。注意：每次CT扫描的旋转角度为0.93°，每个投影的采集时间为10秒。出于本手稿的目的，仅介绍了第一次 CT 扫描。 3. 数据采集 注：CG-1D的数据采集系统使用EPICS软件40。EPICS的开发是为了指导实验方案并最大限度地减少人为错误;在测量样品之前，该接口在逻辑上逐步完成不同的必要步骤，如图 3所示。 EPICS数据采集协议如下（图3）。左侧部分提供了正在进行的实验的状态，以及运动位置和实验详细信息（样本信息、提案编号和团队成员）。每个实验都与一个建议编号以及一个或多个样本相关联。右侧还提供提案信息，例如团队成员和所选样本名称（第一个选项卡名为“提案/相机/样品环境设备”）。中间部分包括当前的X光片，侧面有一个动态范围刻度尺，以及图像下方的状态和日志信息。 选择标题为“建议/相机/SE 设备”的第一个 EPICS 选项卡。单击“切换建议”或“示例”按钮。在已替换上一个选项卡的“建议列表”（左）和“示例”（右）中选择要测量的项目编号和示例 ID#。 使用后退箭头返回EPICS主界面。通过在相机/探测器选项列表中选择四种可用探测器（Andor CCD、Andor sCMOS、SBIG CCD 或 MCP）之一来选择要使用的探测器（sCMOS 或 CCD）。注：SBIG CCD用于仪器测试，本稿可忽略。 在 “示例环境设备 ”部分中选择要使用的旋转阶段。首先，单击“示例环境设备”列表中的“旋转阶段（CT 扫描）”。然后，选择一个旋转阶段（对应于要扫描的样品）。 最后，在选项卡底部，选择 数据采集模式。在这种情况下，请选择第一个选项“ 白光束”。注意：采集模式是白光束（取整个中子波长范围）或CG-1D光束线上的单色。 选择标题为“ 对齐样本”的第二个 EPICS 选项卡。键入示例文件名，然后按 Enter 键。对子文件夹名称重复此过程。注意：EPICS接口被编程为自动将数据保存在适当的实验目录中，内部重建软件使用该目录生成所研究的3D对象的二维（2D）切片。第二个选项卡“对齐样品”允许使用几秒钟的X光片 对齐样品，因为这些X光片以后不会用于数据处理和分析。一旦所有电机都正确定位，它们的位置就可以以.csv文件格式保存;因此，每个样品对齐都有其相应的.csv文件，可以回调该文件以定位样品以进行CT扫描。 跳过三个电机的对准，即假设样品已对准并准备好进行CT。 选择所需的采集时间，然后单击“ 拍摄快速图像 ”按钮。收集一系列具有不同采集时间的X光片以评估SNR。 打开图像J/斐济;拖放不同的X光片。绘制从样品到开放区域的剖面图;评估信噪比。 如果在XY载物台上设置了多个样品（多个旋转载物台，每个样品对应一个样品），请在对齐后记录每个样品位置，并通过单击“ 保存在文件中 ”按钮将数据另存为.cvs文件。 选择标题为 “收集数据 ”的第三个 EPICS 选项卡以设置 CT 扫描参数。在第一行可写行上键入文件名，然后按 Enter 键。对子文件夹名称重复此操作。注意： 收集数据 选项卡的布局取决于第一个选项卡中一系列经过时间的X光片（无SE）或CT扫描（旋转阶段的选择）的选择。 在“ 使用保存的文件对齐样品 ”部分中，选择先前记录示例电机位置的文件（步骤 1.8）。使用最近保存 的文件浏览最近保存 的示例对齐文件。单击 “使用文件对齐 ”，使样品回到中子束中的位置。 根据奈奎斯特采样定理计算 CT 所需的投影数。计算样本水平维度上的像素数，然后乘以 1.5 以获得完成奈奎斯特采样所需的投影数。 输入 旋转起始角度 （通常为 0°）、旋转 结束角度 （通常为 180°）、 旋转步长、 每步图像数 （通常设置为 1）以及每个图像的 曝光时间 。通过单击“ 收集数据 ”按钮开始CT扫描。 4. 体积重建和数据处理/分析 注意：所有用于数据归一化、重建和分析的CG-1D软件工具都可以在ORNL设施的Python存储库和设施的分析服务器上找到。对于2D测量，可以使用Jupyter Python笔记本41进行预处理。 图 4 中提供了笔记本的插图。在选择样品外部的感兴趣区域之前，可以加载和预览其数据，该区域用于归一化为1（或100%）传输任何光束波动。这些笔记本可以适应每次测量，使预处理变得简单。此外，2D分析可以在同一笔记本中进行，例如跟踪样品中随时间变化的动力学变化（即样品中的吸水率）。 使用用户名和密码登录 Linux 分析服务器。打开 Web 浏览器，然后键入 jupyter.sns.gov。 打开名为 iMARS3D 的 python Jupyter 笔记本。运行代码的前几行（加载运行 iMARS3D 所需的工具）。加载数据、平场和暗场。验证是否已正确加载所有三个数据集。 继续裁剪数据、过滤（如有必要）、归一化（使用自动样品倾斜校正）和体积重建（一个漫长的过程）。将数据保存在名为 “共享”的项目编号文件夹中。打开设施分析服务器上也可用的 AMIRA36 后，在软件中加载重建的切片，然后继续进行可视化、进一步过滤和分析。