Microtomografía de rayos X

En radiografía, la microtomografía de rayos X utiliza rayos X para crear secciones transversales de un objeto físico que se pueden utilizar 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 píxeles de las secciones transversales están en el rango de micrómetros. Estos tamaños de píxeles también han dado lugar a la creación de sus sinónimos tomografía de rayos X de alta resolución, tomografía microcomputarizada (micro-CT o μCT), y términos similares. En ocasiones se diferencian los términos tomografía computarizada de alta resolución (TCAR) y micro-CT, pero en otros casos se utiliza el término micro-CT de alta resolución. 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.

Principio de funcionamiento

Sistema de imágenes

Reconstrucción del haz de ventilador

El sistema de haz de abanico se basa en un detector de rayos X unidimensional (1D) y una fuente de rayos X electrónica, creando secciones transversales 2D del objeto. Normalmente se utiliza 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 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 desde 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 obtener imágenes de alta resolución.

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 cree un volumen 'apilando' las rebanadas individuales una encima de la otra. Luego, el programa puede mostrar el volumen de una manera alternativa.

Software de reconstrucción de imágenes

Para la microtomografía de rayos X, hay disponible un potente software de código abierto, como la caja de herramientas ASTRA. 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.

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

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 imágenes

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

Uso típico

Arqueología

• Reconstruyendo artefactos dañados por el fuego, como el Papyri En-Gedi y Herculaneum
• Desempaquetar tabletas cuneiformes envueltos en sobres de arcilla y fichas de arcilla

Biomédico

• Imágenes de animales in vitro e in vivo
• Neuronas
• Muestras de piel humana
• Muestras de hueso, incluyendo dientes, que van en tamaño de roedores a biopsias humanas
• Imágenes pulmonares mediante mordido respiratorio
• Imágenes cardiovasculares mediante gateo cardíaco
• Imágenes del ojo humano, microestructuras oculares y tumores
• Imágenes tumorales (puede requerir agentes de contraste)
• Imágenes de tejido blando
• Insectos – Desarrollo de insectos
• Parasitología – migración de parásitos, morfología parásita
• Controles de consistencia de la tabla

Biología del desarrollo

• Trazando el desarrollo del tigre Tasmaniano extinto durante el crecimiento de la bolsa
• Organismos modelo y no modelo (elefones, pez cebra y ballenas)

Electrónica

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

Microdispositivos

• Boquilla de chorro

Materiales compuestos y espumas metálicas

• Composites de cerámica y cerámica. Análisis microestructural e investigación de fallos
• Material compuesto con fibras de vidrio de 10 a 12 micrometros de diámetro

Polimeros, plásticos

• Espuma plástica

Diamantes

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

Alimentos y semillas

• Imagen 3-D de los alimentos
• Analizar el calor y la sequía en los cultivos alimentarios
• Detección de burbujas en queso chillido

Madera y papel

• Pieza de madera para visualizar la periodicidad anual y la estructura celular

Materiales de construcción

• Concreto después de cargar

Geología

En geología se utiliza para analizar microporos en las rocas yacimientos y 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.

• Sandstone
• Estudios de porosidad y flujo

Fósiles

• Vertebras
• Invertebrados

Microfósiles

• Benthonic foraminifers

Paleografía

• Desarrollando digitalmente cartas de correspondencia que empleaban el bloqueo de cartas.

espacio

• Localización de partículas de polvo estelar en aerogel utilizando técnicas de rayos X
• Muestras retornadas del asteroide 25143 Itokawa por la misión Hayabusa

imágenes estéreo

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

otros

• Cigarrillos
• Nidos de insectos sociales