Röntgentomografia

 

Skyscan 1172 kuvauslaite

SIB Labsille asennettiin mikrometriluokan kuvantamiseen kykenevä Skyscan 1172 röntgentomografilaite 'MikroCT' kesällä 2006. Leikekuvan koko voi olla jopa 8000 * 8000 pikseliä. Kuvan pikselikoko on 34,7-1 µm.

Skyscan 1172 tuottaa 12 bit röntgenkuvia tiff-muodossa. Tästä kuvasarjasta lasketaan leikekuvat tiedostomuotoon 16 bit tiff, 8 bit bmp tai 8 bit jpg ohjelmalla NRecon. Leikekuvasarja analysoidaan ohjelmalla CT-Analyser. Kuvasarjoja voidaan tutkia ohjelmalla DataViewer. 3D-kuva tehdään CT-Analyser'llä ja sitä voi muokata edelleen ohjelmalla CT-Volume.

Röntgenputken teho on 10 W. Röntgenputken jännitettä voidaan säätää välillä 20-100 kV ja virtaa välillä 0-250 µA.

Röntgenilmaisimena on skintillaattori, joka on yhdistetty kuituoptiikalla 12 bit CCD-kennoon. Kuva-ala on 34 * 18 mm ja 4000 * 2624 pikseliä. Kuvataajuus voi olla jopa 6,4 Hz. Valotusaika voi olla enintään 10 s. Matalaenergisten fotonien suodattamiseksi standardisuotimet ovat 0,5 mm Al ja Al+Cu-suodin, joka vastaa noin 2 mm alumiinia. Tarvittaessa voidaan tehdä lisäsuotimia.

Pieni näyte voidaan keskittää kuva-alalle mikroasemointilaitteella, jonka liikepituus on +/- 2 mm keskikohdasta. Näin voidaan optimoida pienelle näytteelle suurennos, kuvausnopeus ja leikekuvan laatu.

Materiaaleja voidaan puristaa tai venyttää enintään 220 N voimalla. Voimamuutoksen tarkkuus on 1 N. Liikepituus on 6 mm. 0,01 mm siirtymä vie noin 4 s. Materiaalitestauslaitteen sisäkorkeus on 13-22 mm ja sisähalkaisija 20 mm.

Materiaalitestauslaitteen kuorma tai siirtymä on ennalta asetettavissa. Kuorma ja siirtymä saadaan sekä käyränä että tekstitiedostona. Liikkeen voi keskeyttää tai pysäyttää halutuissa kohdissa.

Pieniä näytteitä voidaan kuvata myös jäähdytettyinä. Jäähdytysasemassa lämpötila voi olla 50 °C ympäristön lämpötilaa alempi. Lämpötila-asetuksen tarkkuus on 0,5 °C. Laitteen sisäkorkeus on 14 mm ja sisähalkaisija 20 mm. Jäähtymisnopeus ilman näytettä, kun ympäristössä on +27 °C, on 0 °C 40 s, -10 °C 65 s, -20 °C 110 s.

 

Kuvaus

Kuvattava kappale on kiinnitettävä näytepitimeen niin, ettei kappale pääse liikkumaan kuvauksen aikana. Skyscan 1172:ssa näytepidin pyörii 180° tai 360° ja kuvattavan kappaleen on pysyttävä liikkumattomana pitimessään.

Alla on esimerkinomaisesti kuvaustaulukko, josta voi arvioida pikselikoon, kuva-alan ja kuvausajan yhteyttä. Käytännössä kuvausaika riippuu myös kuvakeskiarvoistuksesta ja kuvauskulman muutoksen suuruudesta, joten kuvausaika on tapauskohtainen. Lukutarkkuus 4*4 vastaa 1000*524 pikseliä, 2*2 vastaa 2000*1048 pikseliä, ja 1*1 vastaa 4000*2096 pikseliä.

Leikekuvan pikselikoon ja kuvausajan yhteys voidaan arvioida yllä olevasta taulukosta. Lyhin kuvausaika sopii hyvin röntgensäteilyä läpäiseville näytteille, esimerkiksi kasvinosat ja puu, jolloin ei tarvita suodattimia. Pisin kuvausaika tarvitaan mm. luunäytteille Al+Cu-suodattimella.

Kuvausalueen leveys on enimmillään noin 34 mm ja käyttökelpoinen kuvauskorkeus puolet kuvausleveydestä. Kuvausalueen voi kaksinkertaistaa leveyteen 68 mm, jolloin kuvausaika vähintään kaksinkertaistuu. Kokonaiskuvauskorkeus on enintään noin 70 mm, standardipitimillä noin 55 mm, jolloin näyte kuvataan yhdistämällä korkeussuunnassa useita kuvaussegmenttejä. Kuvausaika moninkertaistuu segmenttien määrän mukaan.

Läpivalaisukuva minimoottorista, mikä on yhdistetty kahdesta eri kuvasta korkeussuunnassa. Kuvan pikselikoko on 34,7 µm ja kuvausaika oli 2*25 min.

 

Kuvalaskenta

Leikekuvat lasketaan Feldkamp-algoritmilla röntgenkuvista, jotka ovat kuvattavan kappaleen kartiokeilaprojektioita. Kuvalaskentaa varten NRecon tunnistaa vain 16 bit tiff -muodon. Leikekuvamuoto voi olla 16 bit tiff (65536 harmaasävyä), 8 bit bmp (256 harmaasävyä) tai 8 bit jpg. Leikekuvien pikseliarvojen vaihteluita voidaan lieventää (smoothing), mutta kuvan pienet yksityiskohdat voivat hävitä ja kuvan histogrammi voi muuttua.

Kuvalaskennassa ROI voi olla suorakulmio, neliö, ellipsi tai ympyrä. Kuvan reunoille voi kirjoittaa mittakaavan. Kuvassa alla männyn siemenen poikkileikkaus, osa suurempaa kuvaa. Kuvan pikselikoko on 10 µm ja kuvausaika 54 min.

 

Analysointi

Kuvankäsittelyohjelma CT-Analyser:lla voidaan analysoida 1-bit ja 8-bit bmp-kuvia sekä Skyscan-laitteen tekemiä 8-bit ja 16-bit tiff-kuvia. 16-bit kuvat ohjelma muuttaa 8-bit kuviksi. Muunnosvaiheessa 16-bit → 8-bit voi kuvien alkuperäistä harmaasävyskaalaa kaventaa ja optimoida siten 256 sävyllä analysoitavaa kuvaa.

Kuvasta voi tehdä kulma-, pituus- ja pinta-alamittauksia sekä tallentaa koordinaatteja. Yleensä analysointi käsittää binarisoitujen kuvien valkoisten pikselien laskemista eri tavoin. Käyttökelpoisten analysointitulosten saamiseksi kuvien binarisointi ja analysoitavien alueiden rajaaminen on tehtävä huolellisesti. Analysoitava alue voidaan rajata mm. ellipsillä, ympyrällä, neliöllä, suorakulmiolla tai käsin piirrettävällä monikulmiolla.

Analysoitu kuva voi näyttää esimerkiksi alla olevan kuvan kaltaiselta. Jokaisen yksittäisen leikekuvan analysointitulokset voidaan tallentaa tekstitiedostoon, samoin kuin koko kolmiulotteisen kappaleen analysointituloksetkin.

 

Visualisointi

Leikekuvasarjoja on helppo katsella DataViewer-ohjelmalla. DataViewerillä voi esimerkiksi muuttaa harmaasävykuvat värillisiksi, kaventaa sävyasteikkoa, tarkastella kuvatun kappaleen poikkileikkauksia eri suunnista ja katsoa harmaasävyprofiilia halutusta kohdasta.

Leikekuvia voi muokata kuvankäsittelyn keinoin. Kuvasarjasta voi tehdä videon tai 3D-kuvia stl-muodossa. 3D-kuvista voi myös tehdä videon.

Kuvassa alla poikkileikkauskuvat jauhopukista (Tenebrio molitor). Kuvan pikselikoko on 5 µm. Oikeanpuolimmainen kuva on kuvakaappaus 3D-videosta. Jauhopukki kuvattiin neljässä eri osassa, jolloin kokonaiskuvausaika oli 4*1 h.

Alla on kuvakaappaus 3D-videosta, jossa on toukka siemenen sisällä. Alkuperäiskuvien pikselikoko on 4 µm. Kuvausaika oli 50 min.

 

Kuvauskohde

Kuvattava näyte on kiinnitettävä niin, että näyte ei liiku kuvauksen aikana kuvan laatuun havaittavasti vaikuttavassa määrin. Näytteestä ei saa haihtua aineita kuvauskammioon. Näytepidin pyörii terävin askelin, jolloin nestevirtaukset voivat tuoda häiriöitä leikekuviin. Jo näytteen sulaminen tai kuivuminen aiheuttavat useimmiten häiritseviä liikuntoja. Laitteen tuulettimen ilmavirta voi liikuttaa tai irrottaa keveitä kappaleita laitteen sisällä kuvauksen aikana.

 

Yleisin kuvauskokonaisuus

Kuvattavaksi tuodun näytteen yleisin kuvauskokonaisuus sisältää:

  •     kuvauksen, kuvalaskennan ja analyysin suunnittelun,
  •     yhden kuva-alan mikroCT-kuvauksen Skyscan 1172 -laitteella,
  •     kuvausdatan (tiff-läpivalaisukuvia),
  •     optimoidun leikekuvien laskennan ja 8-bit bmp-leikekuvat,
  •     yhden vakio-ROI:n tai VOI:n (sylinteri tai suorakulmainen särmiö) 2D ja 3D-analyysin tulostiedostoineen (.txt),
  •     datan toimituksen asiakkaalle mahdollisesti erikseen hankittavalla tallennusmedialla.

 

Kuvaussuunnittelussa huomioitavaa mm.

Miten näytteen voi kiinnittää pidikkeeseen?
Näyte ei sula tai kuivu kuvauksen aikana, eikä siitä haihdu aineita kuvauskammioon.
Voiko käsittelijälle tapahtua haitallista kontaminaatiota?
Mitä kuvauksella halutaan selvittää? Tämä vaikuttaa sekä kuvausasetusten että kuvalaskennan optimointiin.
Minkä kokoinen kuvan pikselikoko halutaan?
Kuvataanko koko näyte vai jokin osa?
Tarvitaanko tiheysmittauksia?
Millainen on ROI-alue ja VOI-tilavuus?
Mitä parametreja lasketaan?
Käsitelläänkö kuvasarjaa edelleen väärävärikuviksi, 3D-kuviksi tai videoiksi?
Miten kuvia tai tuloksia saa hyödyntää opetuksessa ja julkaisemisessa?
Onko salassa pidettävää aineistoa?
Miten kuvauskokonaisuudesta raportoidaan?
Miten näytettä käsitellään kuvauksen jälkeen?