تصف هذه المخطوطة بروتوكولا للتصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للعينات البيولوجية باستخدام خط شعاع CG-1D لمفاعل النظائر عالي التدفق (HFIR) لقياس غرسة معدنية في عظم الفخذ ورئة الفأر ونظام جذر / تربة نبات عشبي.
استخدمت النيوترونات تاريخيا لمجموعة واسعة من التطبيقات البيولوجية التي تستخدم تقنيات مثل تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة ، وصدى دوران النيوترون ، والحيود ، والتشتت غير المرن. على عكس تقنيات تشتت النيوترونات التي تحصل على المعلومات في الفضاء المتبادل ، يقيس التصوير النيوتروني القائم على التوهين إشارة في الفضاء الحقيقي يتم حلها بترتيب عشرات الميكرومترات. يتبع مبدأ التصوير النيوتروني قانون بير لامبرت ويستند إلى قياس توهين النيوترونات السائبة من خلال عينة. تظهر بعض العناصر الخفيفة توهين أكبر (أبرزها الهيدروجين) ، والتي تعد مكونات رئيسية للعينات البيولوجية. يمكن استخدام عوامل التباين مثل الديوتيريوم أو الجادولينيوم أو مركبات الليثيوم لتعزيز التباين بطريقة مماثلة كما هو الحال في التصوير الطبي ، بما في ذلك تقنيات مثل التصوير البصري والتصوير بالرنين المغناطيسي والأشعة السينية والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. بالنسبة للأنظمة البيولوجية ، تم استخدام التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب بشكل متزايد للتحقيق في تعقيد شبكة جذور النباتات تحت الأرض ، وتفاعلها مع التربة ، وديناميات تدفق المياه في الموقع. علاوة على ذلك ، تم استكشاف الجهود المبذولة لفهم تفاصيل التباين في عينات الحيوانات ، مثل الأنسجة الرخوة والعظام. تركز هذه المخطوطة على التقدم في التصوير الحيوي النيوتروني مثل تحضير العينات والأجهزة واستراتيجية الحصول على البيانات وتحليل البيانات باستخدام خط شعاع التصوير النيوتروني CG-1D لمفاعل النظائر عالي التدفق. سيتم توضيح القدرات المذكورة أعلاه باستخدام مجموعة مختارة من الأمثلة في فسيولوجيا النبات (نظام النبات / الجذر / التربة العشبي) والتطبيقات الطبية الحيوية (عظم الفخذ ورئة الفأر).
يعتمد مبدأ التصوير الشعاعي النيوتروني (nR) على توهين النيوترونات من خلال المادة التي تجتازها. على عكس الأشعة السينية التي تنتشر بواسطة السحابة الإلكترونية للذرة ، يمكن امتصاص النيوترونات أو تشتيتها بواسطة نواتها. النيوترونات حساسة للعناصر الخفيفة ، مثل الهيدروجين (H) ، وبالتالي يمكن استخدامها للتصوير الشعاعي للتطبيقات البيولوجية مثل الحيوانات1،2،3،4،5،6،7 أو الأنسجة البشرية8،9 وأنظمة التربة / الجذر تحت الأرض 10،11،12،13،14، 15. التصوير النيوتروني هو تقنية مكملة للتصوير بالأشعة السينية ، وهو قادر على اكتشاف العناصر الثقيلة16،17،18. يخضع nR القائم على التوهين لمعاملات التوهين الخطي للمواد داخل العينة وسمك العينة ، كما هو موضح في قانون بير لامبرت ، الذي ينص على أن الحزمة المرسلة تتناسب طرديا مع كمية المادة وطول المسار عبر المادة. وبالتالي ، يمكن حساب النفاذية ، T ، على النحو التالي:
(1)
حيث أنا0 وأنا ، على التوالي ، الحادث وشدة الحزمة المرسلة ؛ μ و x هما معامل التوهين الخطي وسمك عينة متجانسة ، على التوالي. يعطى معامل التوهين μ بالعلاقة:
(2)
حيث σ هو المقطع العرضي لتوهين النيوترونات للعينة (كل من التشتت والامتصاص) ، و ρ هي كثافتها ، و NA هو رقم أفوجادرو ، و M هي كتلتها المولية.
يرجع التباين في التصوير الشعاعي للعينات البيولوجية باستخدام نيوترونات منخفضة الطاقة (أي طاقات أقل من 0.5 فولت) في الغالب إلى تغير في كثافة H (لسمك عينة ثابت). ويرجع ذلك إلى احتمال تفاعل النيوترون مع النواة H ، وهو أكبر من النوى الأخرى الموجودة في العينات البيولوجية ، وحقيقة أن كثافة ذرة H لها أهمية قصوى لأنها الذرة الأكثر وفرة في العينات البيولوجية.
منذ مراحله المبكرة ، تم استخدام nR والتصوير المقطعي المحوسب النيوتروني (nCT) على نطاق واسع للمواد والتطبيقات الهندسية19،20،21،22،23. بدأت التجارب التجريبية الأولى لحساسية النيوترون ل H في العينات البيولوجية في منتصف خمسينيات القرن العشرين24 مع قياسات العينات النباتية. استمر العمل خلال ستينيات القرن العشرين مع ، على سبيل المثال ، التصوير الشعاعي لصدر الإنسان25 أو الفئران26 ، حيث تم استكشاف استخدام عوامل التباين ، مثل أكسيد الجادولينيوم (Gd2O3). علاوة على ذلك ، تم افتراض أن التباين في أنسجة الورم البشري مقابل الأنسجة الطبيعية كان بسبب زيادة محلية في محتوى H. خلال هذه التجارب الأولية ، استنتج أن زيادة تدفق النيوترونات والاستبانة المكانية من شأنها تحسين جودة nR ومن المرجح أن تزيد من شعبيتها كتقنية تكميلية للتطبيقات الصناعية أو الطبية الحيوية. تشمل أحدث الدراسات قياسات nR و nCT التي أجريت على عينات الأنسجة السرطانية1 وأقسام الأعضاء الحيوانية2،3،27 للتطبيقات الطبية الحيوية والطب الشرعي.
يقع مفاعل النظائر عالية التدفق (HFIR) في مختبر أوك ريدج الوطني ، أوك ريدج ، تينيسي ، وهو مصدر نيوتروني قوي ينتج نيوترونات عن طريق تفاعل الانشطار. هذه النيوترونات لها طاقات في حدود 2 MeV ويتم “تبريدها” في حوض المفاعل عن طريق التفاعلات الحركية مع الماء الثقيل للوصول إلى طاقات في حدود 100-300 eV. يبدأ تحسين تجربة النيوترونات ، سواء كانت تشتت أو تصوير ، بفهم مصدر النيوترون وخصائص خط الحزمة مثل شدة الحزمة وتوزيع الطاقة وتأثير الخلفية (النيوترونات السريعة والنيوترونات المتأخرة وأشعة جاما). في قاعة التوجيه البارد HFIR حيث يوجد خط شعاع التصوير ، يتم “تبريد” النيوترونات بشكل أكبر عن طريق التفاعلات الحركية مع وسيط H السائل. ثم يتم نقلها في نظام توجيه منحني بعيدا عن خط رؤية المصدر ، وبالتالي القضاء على النيوترونات السريعة وتلوث جاما. كما هو موضح في الشكل 1 ، يتم وضع خط شعاع التصوير النيوتروني CG-1D28,29 على دليل بارد ، مما يعني أن نطاق طاقة النيوترون يختلف من بضعة meV إلى بضع عشرات من eV (في هذه الحالة ، يتراوح الطول الموجي النيوتروني القابل للاستخدام المقابل من 0.8 إلى 10 Å) مع تدفق في نطاق 107 n / (سم2∙s) في موضع العينة. يحدد نظام الفتحة / الناشر الميكانيكي هندسة الثقب لأداة التصوير. تنتقل النيوترونات مسافة 6.59 m في أنبوب طيران مملوء بالهيليوم (He) مع نوافذ من الألومنيوم (Al) في كل طرف. تستخدم أنابيب الطيران لنقل النيوترونات مع الحد من تشتت الهواء بحيث يكون الفقد في شدة الحزمة ضئيلا. بالنسبة للقياسات الموصوفة في هذه المخطوطة ، فإن الناشر مصنوع من مسحوق نانو أكسيد الألومنيوم بسمك 1 مم 50 نانومتر (Al2O3) مغطى في حاوية Al . يقلل الناشر من القطع الأثرية للحزمة القادمة من دليل النيوترون (والتي يتم تكبيرها بواسطة هندسة الثقب لخط شعاع التصوير) ، وإلا فإن تقلبات الشدة الأفقية والرأسية الحادة مرئية في الصورة الشعاعية ويصبح تطبيع البيانات أمرا صعبا. بالنسبة للتجارب الموضحة هنا ، يتم تحويل النيوترونات إلى ضوء باستخدام فوسفور فلوريد الليثيوم 6 / كبريتيد الزنك بسمك 25 ميكرومتر (6LiF / ZnS: Ag).
يعتمد تحسين الموازاة على موضع العينة إلى الكاشف ، والدقة المكانية المطلوبة ، ووقت الاستحواذ. عندما تجلس العينة على بعد بضعة سنتيمترات من الوميض ، فإن الموازاوات العالية (L / D فوق 800 ، حيث L هي المسافة من فتحة الثقب للقطر ، D ، والكاشف) تنتج دقة مكانية أفضل على حساب تدفق النيوترونات. يفضل الموازاة المنخفضة (L / D أقل من 800) للدراسات الديناميكية في الموقع عندما تسود دقة الوقت على الاستبانة المكانية. بالنسبة للقياسات الموصوفة في هذه المخطوطة ، كان L / D والدقة المكانية حوالي 355 و 75 ميكرومتر ، على التوالي. اختلفت الدقة الزمنية بناء على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR). تم وضع العينة بالقرب من الوميض قدر الإمكان لتقليل التشوه الهندسي مثل التعتيم. تتوفر مراحل الترجمة والتناوب لضبط العينة بالقرب من أجهزة الكشف وإجراء التصوير المقطعي المحوسب (CT). تقدم CG-1D ثلاثة أنواع من أجهزة الكشف: جهاز مقترن بالشحن (CCD) بدقة 2048 بكسل × 2048 بكسل مع درجة بكسل تبلغ 13.5 ميكرومتر ، وكاشف علمي تكميلي لأشباه الموصلات المعدنية (sCMOS) بدقة 2560 بكسل × 2160 بكسل مع درجة بكسل تبلغ 6.5 ميكرومتر ، وكاشف لوحة قناة دقيقة (MCP)30,31 مع 512 بكسل × 512 بكسل بحجم بكسل 55 ميكرومتر. يتم امتصاص النيوترونات المتناثرة بمطاط البورون بسمك ~ 5 مم لحماية رقاقة الكاشف من رؤية النيوترونات. يولد هذا الامتصاص أشعة جاما التي يمكن إيقافها بواسطة الرصاص (Pb) الموجود بين مطاط البورون والكاشف. تم تحسين كل كاشف لمجال رؤية مختلف (FOV) بالإضافة إلى الدقة المكانية والزمنية. بالنسبة لقياسات عظم الفخذ ورئة الفأر ، تم استخدام كاشف CCD لقدرته الكبيرة على مجال الرؤية (~ 7 سم × 7 سم) والدقة المكانية المعقولة التي تبلغ حوالي 75 ميكرومتر. تم إجراء nCT لنظام جذر النبات / التربة باستخدام sCMOS ، حيث كان الهدف هو الحصول على nCTs في أسرع وقت ممكن على حساب مجال الرؤية (الذي كان يقتصر على ~ 5 سم × 4.2 سم) ؛ وبالتالي ، من الواضح أن الدقة المكانية قد عانت. في هذه الكواشف ، يتم تحويل النيوترونات إما إلى ضوء أو جسيم ألفا لأغراض الكشف. يسمح تدوير العينة حول محورها الرأسي والحصول على صور شعاعية بزوايا دوران متتالية بالحصول على nCT. يتم الحصول على النموذج الحجمي ثلاثي الأبعاد للعينة قيد التحقيق من خلال استخدام دفتر الملاحظات الداخلي Jupyter القائم على الثعبان القائم على الثعبان (FBP) أو pyMBIR أو برنامج تجاري ، وكلها موصوفة أدناه.
أخيرا ، يتم تجميع النيوترونات التي لم تتفاعل مع العينة أو الكاشف في وضع توقف الحزمة على بعد حوالي 1 متر في اتجاه مجرى النهر من نظام الكاشف لتقليل ضوضاء الخلفية. يبلغ عرض محطة الشعاع CG-1D 0.75 مترا وارتفاعها 0.5 مترا وسمكها 35 مم ومصنوعة من B4C في الإيبوكسي. يتم تعزيز توقف الحزمة ب 10 مم من كربونات الليثيوم المخصبة بنسبة 95٪ (6 Li2CO3) في إيبوكسي مقاوم للحريق حيث يضرب شعاع النيوترون ، مع تجويف مبطن ب 6Li والرصاص (Pb) والفولاذ المصمم لاحتواء المعدل العالي لأشعة جاما الثانوية. يتم توصيل توقف الشعاع مباشرة بجدار التدريع الفولاذي لخط الشعاع. صورة لخط شعاع CG-1D موضحة في الشكل 2.
تم استخدام ثلاثة برامج إعادة بناء لإعادة بناء البيانات التجريبية الثلاثة في 3D ، على التوالي. تم إجراء إعادة بناء عينة رئة الفأر باستخدام Octopus32 ، وهو برنامج إعادة بناء تجاري يستخدم FBP. يجلس برنامج الأخطبوط على جهاز كمبيوتر الخادم ويمكن استخدامه لإعادة بناء البيانات التي تم جمعها في خط الشعاع. يتوفر برنامج إعادة الإعمار ، المسمى iMARS3D ، في CG-1D. يعتمد على الكود مفتوح المصدر TomoPY33 مع ميزات إضافية مثل تصحيح الإمالة الآلي ومرشحات ما بعد المعالجة وما إلى ذلك. يتضمن iMARS3D المعالجة المسبقة للبيانات (طرح الخلفية والضوضاء) ، والاقتصاص ، والترشيح الوسيط (لتصحيح ضربات جاما والبكسل الميت) ، وتصحيح تذبذب شدة الحزمة الآلي وتصحيح إمالة العينة. بمجرد إنشاء sinograms ، تعد معالجة البيانات الإضافية مثل إزالة القطع الأثرية الحلقية وتنعيمها خيارا. يتم حفظ الخطوات المختلفة لإعادة البناء على خادم التحليل (ويتم نقلها لاحقا في المجلد المشترك للاقتراح) ، بينما يتم تخزين شرائح 2D النهائية على الفور في مجلد الاقتراح المشترك. أعيد بناء عظم الفخذ باستخدام iMARS3D. تمت معالجة عينة جذر النبات / التربة مسبقا عن طريق تصفية البيانات المتوسطة باستخدام TomoPY متبوعة بتصحيح محور الميل باستخدام مكتبة SciPy الخاصة ب Python. تم تنفيذ إعادة الإعمار باستخدام حزمة بيثون تم تطويرها داخليا تسمى – pyMBIR (تم إنشاؤها باستخدام حبات من صندوق أدوات ASTRA34) والتي تنفذ مجموعة من الخوارزميات المقطعية من خط الأساس FBP إلى تقنيات إعادة البناء التكرارية المتقدمة القائمة على النموذج35 التي يمكنها الحصول على عمليات إعادة بناء عالية الجودة من مجموعات بيانات نيوترونية متفرقة للغاية وصاخبة. يتم تمثيل جميع وحدات التخزين المقدمة بناء على أدوات إعادة الإعمار المذكورة أعلاه في تباين التوهين. تم تنفيذ جميع التصورات باستخدام حزمة برامج التصور التجاري والتجزئة وتحليل البيانات AMIRA36.
تهدف هذه المخطوطة إلى توضيح إجراءات استخدام التصوير النيوتروني (nR و nCT) في خط شعاع HFIR CG-1D. توضح هذه الدراسة أيضا أحدث قدرات nR و nCT الحالية للعينات البيولوجية ، وتحديدا رئة الفأر ، وعظم الفئران ، وأنظمة جذر / تربة النبات. تم اختيار رئة الفأر لتوضيح تكامل النيوترونات لقياس أنسجة الرئة ، في حين أن الأشعة السينية حساسة في الغالب للعظام. كانت عينة العظام ، عظم الفخذ ، تحتوي على غرسة من التيتانيوم (Ti) ، مما يوضح التباين بين العظم والمعدن ، وفرصة رؤية واجهة العظام / المعدن (التي يصعب قياسها بالأشعة السينية لأن المعادن تخففها بشدة4). أخيرا ، يوضح نظام مياه جذور النبات القدرة ثلاثية الأبعاد (3D) ل nCT لقياس أنظمة الجذر / التربة في الموقع. بالإضافة إلى ذلك ، يوضح مزايا / عيوب استخدام nR للعينات البيولوجية. من الواضح أنه يمكن استخدام هذه الطريقة بأمان لقياس ديناميكيات المياه في نظام جذر النبات ولكن لا يمكن اعتبارها تقنية تصوير حيوانية حية أو بشرية بسبب المخاطر المرتبطة بالتعرض للإشعاع ، وبالتالي قصر الدراسات على الفئران (الميتة) أو القياسات الشبيهة بعلم الأمراض حيث ، على سبيل المثال ، يتم استئصال عينة الأنسجة من مريض (أو إنسان) وإعدادها عن طريق التثبيت قبل قياسها في حزمة نيوترونية.
يعد التصوير الشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي المحوسب للعينات البيولوجية من تقنيات التصوير الواعدة المكملة للتصوير بالأشعة السينية أو التصوير بالرنين المغناطيسي. ترتبط الخطوات الحاسمة في إجراء تجربة التصوير النيوتروني لعينة بيولوجية بتحضيرها واحتوائها عند خط الحزمة. إن تحسين التجربة مدفوع بالسؤال العلمي الذي يجب الإجابة عليه. إذا كان السؤال العلمي يتطلب دقة مكانية عالية لمراقبة ظاهرة ما ، فإن أوقات الاستحواذ الطويلة مطلوبة ، وعيب nCT (مع مجال رؤية بحجم سم) هو أن إجراء المسح يستغرق ساعات. ويرجع ذلك في الغالب إلى الاختلاف في التدفق النيوتروني الكلي المتاح في المفاعل مقارنة بمصدر السنكروترون ، حيث يمكن أن تستغرق الأشعة السينية المقطعية من ثوان إلى دقائق لمجال رؤية بضعة مم2 . على الرغم من أنه يمكن تطبيق الطريقة على عينات الأنسجة خارج الجسم الحي المستخرجة من الحيوانات ، إلا أنه لا يمكن تمديدها في الجسم الحي إلى الحيوانات الحية أو البشر بسبب خطر التعرض للإشعاع (مثل أشعة جاما التي تنتجها النيوترونات والتفاعلات النيوترونية مع الذرات في العينة). ومع ذلك ، فهو مناسب تماما لتصوير تفاعلات جذر النبات / التربة (الشكل 7) مثل ديناميكيات امتصاص الماء.
ميزة استخدام nCT السريع لديناميات النبات هي الحساسية ل H في الماء وعدم وجود أضرار إشعاعية للنبات ، على عكس الأشعة السينية CT. علاوة على ذلك ، يمكن ملاحظة تباين فريد من استخدام النيوترونات في عينات العظام / المعادن مثل عظم الفخذ حيث يكون المعدن شفافا نسبيا مقارنة بالأنسجة المحيطة (الشكل 5) ، مما قد يؤدي إلى تجنب القطع الأثرية المعدنية التي تسببها الأشعة السينية CT39. تظهر الأنسجة الحيوانية ، مثل رئة الفأر (الشكل 6) ، اكتشافا مثيرا للإعجاب لبنية الأنسجة الرخوة لأن النيوترونات حساسة ل H ، لكن الدقة المكانية هي إلى حد ما العامل المحدد في هذه القياسات. يتم توفير التباين من خلال ذرات H الموجودة في العينات البيولوجية19,39.
مع تقدم التقنيات الجديدة مثل قياس التداخل النيوتروني ، والتحسن في الدقة المكانية (تم الإبلاغ مؤخرا عن بضعة ميكرونات42,43) قد يوفر التصوير النيوتروني آليات تباين جديدة للأنسجة البيولوجية مع دقة مكانية محسنة. يعد استكشاف النيوترونات ذات الطاقة العالية (للسماح بقياسات العينات السميكة) أيضا بالقدرة على قياس أجزاء أكبر من الأنسجة الحيوانية مثل الفأر السليم ، مما يوفر إمكانيات جديدة للبحوث الطبية الحيوية.
The authors have nothing to disclose.
استخدم جزء من هذا البحث الموارد في مفاعل النظائر عالي التدفق ، الذي تديره ORNL ، وبرعاية وزارة الطاقة الأمريكية ، مكتب العلوم ، مرافق المستخدم ، بموجب عقد DE-AC05-00OR22725 مع UT-Battelle، LLC. تم دعم جزء من هذا البحث من قبل ORNL من خلال برنامج زمالة الموظفين المتميزين Eugene Wigner. كما رعى هذا البحث مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، ومكتب البحوث البيولوجية والبيئية. تم الحصول على عينات الفخذ من الفئران من التجارب التي أجريت بالتعاون مع الدكتور ريك سومنر في المركز الطبي بجامعة راش بتمويل تم الحصول عليه من المعاهد الوطنية للصحة (R01AR066562) ومن مؤسسة أبحاث العظام والتعليم – جائزة سميث ونفيو. يود الفريق أن يشكر فرق دعم HFIR التي تمكن من استخدام خطوط شعاع تشتت النيوترونات.
Aluminum containers | custom | Made from aluminum plates or tubing (alternate is quartz), plant and mouse sample | |
Aluminum foil | Fisher | 01-213-100 | Mouse lung sample containment |
Deionized water or deuterium oxide | Water or D2O can be used to enhance contrast, plant sample | ||
Ethanol | Fisher | 04-355-223 | Mouse lung sample |
Gauze sponges | CardinalHealth | Fully submerged in phosphate-buffered saline (PBS) and used to wrap samples, rat femur sample | |
Growth chamber | Conviron | A1000 | Any growth chamber or greenhouse with controlled conditions would work, plant sample |
Laboratory balance | Weighing plant system can be used to measure actual water content in the soils, plant sample | ||
Pure silica sand | US Silica Co. | Flint#13 | Pure SiO2 provides low neutron attenuation compared to soils, plant sample |
Sprague-Dawley Rats | Harlan | Order Code: 002-US | Rat femur sample |
Titanium Rod | Goodfellow | TI007905 | Rat femur sample |