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Biology

ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के हाई फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर में न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी और बायोलॉजिकल सिस्टम की कंप्यूटेड टोमोग्राफी

Published: May 7, 2021 doi: 10.3791/61688
Automatic Translation
*1, *2,3,4, *5, 6, 6, 1,7, 8, 1,9, 1, 9,10, 1
1Neutron Scattering Division, Oak Ridge National Laboratory, 2College of Veterinary Medicine, The University of Tennessee, 3UT-ORNL Graduate School of Genome, Science and Technology, The University of Tennessee, 4Integrity Laboratories, 5Environmental Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory, 6Department of Cell & Molecular Medicine, Rush Medical College, Rush University, 7Computer Science and Mathematics Division, Oak Ridge National Laboratory, 8Electrification and Energy Infrastructures Division, Oak Ridge National Laboratory, 9Now at Second Target Station Project, Oak Ridge National Laboratory, 10Neutron Technologies Division, Oak Ridge National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

इस पांडुलिपि में न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी और जैविक नमूनों की गणना टोमोग्राफी के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन किया गया है, जिसमें एक हाई फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर (एचएफआईआर) सीजी -1 डी बीमलाइन का उपयोग करके चूहे की फीमर, माउस फेफड़े और एक जड़ी-बूटी पौधे की जड़ / मिट्टी प्रणाली में धातु प्रत्यारोपण को मापने के लिए कहा गया है।

Abstract

न्यूट्रॉन का उपयोग ऐतिहासिक रूप से जैविक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए किया गया है जो छोटे-कोण न्यूट्रॉन प्रकीर्णन, न्यूट्रॉन स्पिन इको, विवर्तन और इनलेस्टिक प्रकीर्णन जैसी तकनीकों को नियोजित करते हैं। न्यूट्रॉन प्रकीर्णन तकनीकों के विपरीत जो पारस्परिक स्थान में जानकारी प्राप्त करते हैं, क्षीणन-आधारित न्यूट्रॉन इमेजिंग वास्तविक अंतरिक्ष में एक संकेत को मापता है जो दसियों माइक्रोमीटर के क्रम पर हल होता है। न्यूट्रॉन इमेजिंग का सिद्धांत बीयर-लैम्बर्ट कानून का पालन करता है और एक नमूने के माध्यम से थोक न्यूट्रॉन क्षीणन के माप पर आधारित है। कुछ प्रकाश तत्वों (विशेष रूप से, हाइड्रोजन) द्वारा अधिक क्षीणन प्रदर्शित किया जाता है, जो जैविक नमूनों के प्रमुख घटक हैं। ड्यूटेरियम, गैडोलिनियम या लिथियम यौगिकों जैसे कंट्रास्ट एजेंटों का उपयोग उसी तरह से कंट्रास्ट को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है जैसा कि मेडिकल इमेजिंग में किया जाता है, जिसमें ऑप्टिकल इमेजिंग, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग, एक्स-रे और पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी जैसी तकनीकें शामिल हैं। जैविक प्रणालियों के लिए, न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी और कंप्यूटेड टोमोग्राफी का उपयोग भूमिगत पौधे जड़ नेटवर्क की जटिलता, मिट्टी के साथ इसकी बातचीत और सीटू में पानी के प्रवाह की गतिशीलता की जांच करने के लिए किया गया है। इसके अलावा, जानवरों के नमूनों में विपरीत विवरण, जैसे नरम ऊतकों और हड्डियों को समझने के प्रयासों का पता लगाया गया है। यह पांडुलिपि न्यूट्रॉन बायोइमेजिंग में प्रगति पर केंद्रित है जैसे कि नमूना तैयारी, इंस्ट्रूमेंटेशन, डेटा अधिग्रहण रणनीति, और उच्च फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर सीजी -1 डी न्यूट्रॉन इमेजिंग बीमलाइन का उपयोग करके डेटा विश्लेषण। उपरोक्त क्षमताओं को प्लांट फिजियोलॉजी (जड़ी-बूटियों के पौधे / जड़ / मिट्टी प्रणाली) और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों (चूहा फीमर और माउस फेफड़े) में उदाहरणों के चयन का उपयोग करके चित्रित किया जाएगा।

Introduction

न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी (एनआर) का सिद्धांत उस पदार्थ के माध्यम से न्यूट्रॉन के क्षीणन पर आधारित है जिसे वे पार करते हैं। एक्स-रे के विपरीत जो एक परमाणु के इलेक्ट्रॉन बादल द्वारा बिखरे होते हैं, न्यूट्रॉन को इसके नाभिक द्वारा अवशोषित या बिखेरा जा सकता है। न्यूट्रॉन हाइड्रोजन (एच) जैसे प्रकाश तत्वों के प्रति संवेदनशील होते हैं, और परिणामस्वरूप इसका उपयोग जैविक अनुप्रयोगों जैसे पशु 1,2,3,4,5,6,7 या मानव ऊतक 8,9 और जमीन के नीचे मिट्टी / जड़ प्रणाली10,11,12,13,14 के रेडियोग्राफी के लिए किया जा सकता है।, 15. न्यूट्रॉन इमेजिंग एक्स-रे इमेजिंग के लिए एक पूरक तकनीक है, जो भारी तत्वों16,17,18 का पता लगाने में सक्षम है। क्षीणन-आधारित एनआर नमूने के भीतर सामग्री के रैखिक क्षीणन गुणांक और नमूने की मोटाई द्वारा नियंत्रित होता है, जैसा कि बीयर-लैम्बर्ट कानून द्वारा वर्णित है, जिसमें कहा गया है कि प्रेषित बीम सामग्री की मात्रा और सामग्री के माध्यम से पथ की लंबाई के सीधे आनुपातिक है। इस प्रकार, संप्रेषण, टी, की गणना इस प्रकार की जा सकती है:

Equation 1(1)

जहां मैं 0 और मैं क्रमशः घटना और संचारित बीम तीव्रता हैं; μ और एक्स क्रमशः रैखिक क्षीणन गुणांक और एक सजातीय नमूने की मोटाई हैं। क्षीणन गुणांक μ किसके द्वारा दिया गया है?

Equation 2(2)

जहां σ नमूने का न्यूट्रॉन क्षीणन क्रॉस-सेक्शन (प्रकीर्णन और अवशोषण दोनों) है, तो इसका घनत्व है, एनए एवोगैड्रो की संख्या है, और एम इसका दाढ़ द्रव्यमान है।

कम ऊर्जा न्यूट्रॉन (यानी, 0.5 ईवी से नीचे की ऊर्जा) का उपयोग करके जैविक नमूनों की रेडियोग्राफी में विरोधाभास ज्यादातर एच के घनत्व में परिवर्तन (एक निश्चित नमूना मोटाई के लिए) के कारण होता है। यह एच नाभिक के साथ न्यूट्रॉन की बातचीत की संभावना के कारण है, जो जैविक नमूनों में मौजूद अन्य नाभिकों की तुलना में अधिक है, और तथ्य यह है कि एच परमाणु का घनत्व सर्वोपरि है क्योंकि यह जैविक नमूनों में सबसे प्रचुर मात्रा में परमाणु है।

अपने शुरुआती चरणों के बाद से, एनआर और न्यूट्रॉन कंप्यूटेड टोमोग्राफी (एनसीटी) का उपयोग सामग्री और इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों19,20,21,22,23 के लिए बड़े पैमाने पर किया गया है। जैविक नमूनों में एच के लिए न्यूट्रॉन संवेदनशीलता का पहला प्रदर्शन प्रयोग 1950के दशक के मध्य में पौधों के नमूनों के माप के साथ शुरू हुआ। यह काम 1960 के दशक के माध्यम से जारी रहा, उदाहरण के लिए, मानव छाती25 या चूहों26 की रेडियोग्राफी, जिसमें गैडोलिनियम ऑक्साइड (जीडी2ओ3) जैसे कंट्रास्ट एजेंटों के उपयोग का पता लगाया गया था। इसके अलावा, यह अनुमान लगाया गया था कि मानव ट्यूमर ऊतक बनाम सामान्य ऊतक में विरोधाभास एच सामग्री में स्थानीय वृद्धि के कारण था। इन प्रारंभिक परीक्षणों के दौरान, यह निष्कर्ष निकाला गया था कि न्यूट्रॉन फ्लक्स और स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में वृद्धि से एनआर की गुणवत्ता में सुधार होगा और औद्योगिक या जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए पूरक तकनीक के रूप में इसकी लोकप्रियता में वृद्धि होगी। सबसे हालिया अध्ययनों में बायोमेडिकल और फोरेंसिक अनुप्रयोगों के लिए कैंसर ऊतक नमूने1 और पशु अंगों के खंड 2,3,27 पर किए गए एनआर और एनसीटी माप शामिल हैं।

ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी, ओक रिज, टीएन में स्थित, हाई फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर (एचएफआईआर) एक शक्तिशाली न्यूट्रॉन स्रोत है जो विखंडन प्रतिक्रिया द्वारा न्यूट्रॉन का उत्पादन करता है। इन न्यूट्रॉन में 2 MeV के क्रम में ऊर्जा होती है और 100-300 eV के क्रम में ऊर्जा तक पहुंचने के लिए भारी पानी के साथ गतिज प्रतिक्रियाओं द्वारा रिएक्टर पूल में "ठंडा" किया जाता है। न्यूट्रॉन प्रयोग का अनुकूलन, चाहे प्रकीर्णन या इमेजिंग, न्यूट्रॉन स्रोत और बीमलाइन गुणों की समझ से शुरू होता है जैसे कि इसकी बीम तीव्रता, ऊर्जा वितरण, और पृष्ठभूमि का प्रभाव (तेज न्यूट्रॉन, विलंबित न्यूट्रॉन, गामा किरणें)। एचएफआईआर कोल्ड गाइड हॉल में जहां इमेजिंग बीमलाइन स्थित है, न्यूट्रॉन को तरल एच मॉडरेटर के साथ गतिज बातचीत द्वारा आगे "ठंडा" किया जाता है। फिर उन्हें स्रोत की दृष्टि की रेखा से दूर एक घुमावदार गाइड सिस्टम में ले जाया जाता है, इस प्रकार तेजी से न्यूट्रॉन और गामा प्रदूषण को समाप्त किया जाता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, सीजी -1 डी न्यूट्रॉन-इमेजिंग बीमलाइन28,29 को एक ठंडे गाइड पर रखा गया है, जिसका अर्थ है कि न्यूट्रॉन ऊर्जा सीमा कुछ एमईवी से कुछ दसियों ईवी तक भिन्न होती है (इस मामले में, संबंधित प्रयोग करने योग्य न्यूट्रॉन तरंग दैर्ध्य 0.8 से 10 ° तक होती है) जिसमें 107 एन / (सेमी2) की सीमा में प्रवाह होता है।(एस) नमूना स्थिति में। एक मोटराइज्ड एपर्चर / डिफ्यूज़र सिस्टम इमेजिंग उपकरण की पिनहोल ज्यामिति को परिभाषित करता है। न्यूट्रॉन प्रत्येक छोर पर एल्यूमीनियम (एएल) खिड़कियों के साथ हीलियम (एचई) से भरी उड़ान ट्यूब में 6.59 मीटर की दूरी तय करते हैं। उड़ान ट्यूबों का उपयोग न्यूट्रॉन के परिवहन के लिए किया जाता है, जबकि हवा के फैलाव को सीमित किया जाता है ताकि बीम तीव्रता में नुकसान कम से कम हो। इस पांडुलिपि में वर्णित माप के लिए, डिफ्यूज़र एक अल कंटेनर में संलग्न 1 मिमी मोटी 50 एनएम एल्यूमीनियम ऑक्साइड (अल2ओ3) नैनो-पाउडर से बना है। डिफ्यूज़र न्यूट्रॉन गाइड से आने वाली बीम कलाकृतियों को कम करता है (जो एक इमेजिंग बीमलाइन की पिनहोल ज्यामिति द्वारा बढ़ाया जाता है), अन्यथा रेडियोग्राफ में तेज क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर तीव्रता में उतार-चढ़ाव दिखाई देते हैं और डेटा का सामान्यीकरण चुनौतीपूर्ण हो जाता है।   यहां सचित्र प्रयोगों के लिए, न्यूट्रॉन को 25-μm-मोटी लिथियम-6 फ्लोराइड / जिंक सल्फाइड फॉस्फोर (6LiF / ZnS: Ag) का उपयोग करके प्रकाश में परिवर्तित किया जाता है।

संयोजन अनुकूलन नमूना-से-डिटेक्टर स्थिति, आवश्यक स्थानिक संकल्प और अधिग्रहण समय पर निर्भर करता है। जब नमूना सिंटिलेटर से कुछ सेमी दूर बैठता है, तो न्यूट्रॉन फ्लक्स की कीमत पर उच्च कोलिमिनेशन (800 से ऊपर एल / डी, जहां एल व्यास, डी और डिटेक्टर के पिनहोल एपर्चर से दूरी है) बेहतर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन उत्पन्न करता है। जब स्थानिक संकल्प पर समय संकल्प प्रबल होता है तो स्वस्थाने गतिशील अध्ययनों के लिए कम संयोजन (800 से नीचे एल / डी) बेहतर होता है। इस पांडुलिपि में वर्णित माप के लिए, एल / डी और स्थानिक रिज़ॉल्यूशन क्रमशः लगभग 355 और 75 μm थे। सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) के आधार पर टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन भिन्न होता है। धुंधलापन जैसे ज्यामितीय विकृति को कम करने के लिए नमूने को यथासंभव सिंटिलाइज़र के करीब तैनात किया गया था। डिटेक्टरों के करीब नमूना सेट करने और कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) करने के लिए अनुवाद और रोटेशन चरण उपलब्ध हैं। सीजी -1 डी तीन प्रकार के डिटेक्टर प्रदान करता है: 13.5 μm की पिक्सेल पिच के साथ 2048 पिक्सेल x 2048 पिक्सेल के साथ एक चार्ज-युग्मित डिवाइस (CCD), 6.5μm की पिक्सेल पिच के साथ 2560 पिक्सेल x 2160 पिक्सेल के साथ एक वैज्ञानिक पूरक धातु-ऑक्साइड अर्धचालक (SCMOS) डिटेक्टर, और एक माइक्रो-चैनल प्लेट (MCP) डिटेक्टर30,31 के साथ 512 पिक्सेल x 512 पिक्सेल के पिक्सेल आकार के साथ। डिटेक्टर चिप को न्यूट्रॉन देखने से बचाने के लिए बिखरे हुए न्यूट्रॉन को ~ 5 मिमी मोटी बोरान रबर के साथ अवशोषित किया जाता है। यह अवशोषण गामा किरणों को उत्पन्न करता है जिसे बोरान रबर और डिटेक्टर के बीच रखे गए लीड (पीबी) द्वारा रोका जा सकता है। प्रत्येक डिटेक्टर को एक अलग फील्ड-ऑफ-व्यू (एफओवी) के साथ-साथ स्थानिक और समय संकल्प के लिए अनुकूलित किया गया है। चूहे की फीमर और माउस फेफड़ों के माप के लिए, सीसीडी डिटेक्टर का उपयोग इसकी बड़ी एफओवी क्षमता (~ 7 सेमी x 7 सेमी) और लगभग 75μm के उचित स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के लिए किया गया था। मिट्टी प्रणाली का एनसीटी एससीएमओएस के साथ किया गया था, क्योंकि लक्ष्य एफओवी की लागत पर जितनी जल्दी हो सके एनसीटी प्राप्त करना था (जो ~ 5 सेमी x 4.2 सेमी तक सीमित था); इस प्रकार, स्थानिक समाधान स्पष्ट रूप से प्रभावित हुआ। इन डिटेक्टरों में, न्यूट्रॉन को या तो प्रकाश या पता लगाने के उद्देश्यों के लिए एक अल्फा कण में परिवर्तित किया जाता है। अपने ऊर्ध्वाधर अक्ष के चारों ओर नमूने को घुमाना और लगातार रोटेशन कोणों पर रेडियोग्राफ प्राप्त करना एनसीटी के अधिग्रहण की अनुमति देता है। जांच के तहत नमूने का 3-आयामी वॉल्यूमेट्रिक रेंडर मॉडल इन-हाउस आईमार्स 3 डी पायथन-आधारित जुपिटर फ़िल्टर्ड-बैक-प्रोजेक्शन (एफबीपी) नोटबुक, पीआईएमबीआईआर या एक वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है, जो सभी नीचे वर्णित हैं।

अंत में, न्यूट्रॉन जिन्होंने नमूने या डिटेक्टर के साथ बातचीत नहीं की है, उन्हें पृष्ठभूमि शोर को कम करने के लिए डिटेक्टर सिस्टम से लगभग 1 मीटर नीचे बीम स्टॉप स्थिति में एकत्र किया जाता है। सीजी -1 डी बीम स्टॉप 0.75 मीटर चौड़ा, 0.5 मीटर लंबा और 35 मिमी मोटा है और एपॉक्सी में बी4सी से बना है। बीम स्टॉप को अग्नि-प्रतिरोधी एपॉक्सी में 95% समृद्ध लिथियम कार्बोनेट (6 एलआई2सीओ3) के 10 मिमी के साथ प्रबलित किया जाता है, जहां न्यूट्रॉन बीम हिट होता है, जिसमें 6ली, लीड (पीबी) और स्टील के साथ एक गुहा होती है जिसे द्वितीयक गामा किरणों की उच्च दर को शामिल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। बीम स्टॉप सीधे बीमलाइन की स्टील परिरक्षण दीवार से जुड़ा होता है। सीजी -1 डी बीमलाइन की एक तस्वीर चित्र 2 में दी गई है।

क्रमशः 3 डी में तीन प्रयोगात्मक डेटा के पुनर्निर्माण के लिए तीन पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर का उपयोग किया गया था। माउस फेफड़ों के नमूने का पुनर्निर्माण ऑक्टोपस32 का उपयोग करके किया गया था, जो एक वाणिज्यिक पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर है जो एफबीपी का उपयोग करता है। ऑक्टोपस सॉफ्टवेयर एक सर्वर पीसी पर बैठता है और इसका उपयोग बीमलाइन पर एकत्र किए गए डेटा के पुनर्निर्माण के लिए किया जा सकता है। IMARS3D नामक एक पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर, CG-1D पर उपलब्ध है। यह ओपन सोर्स कोड TomoPY33 पर आधारित है जिसमें स्वचालित झुकाव सुधार, पोस्ट-प्रोसेसिंग फिल्टर आदि जैसी अतिरिक्त विशेषताएं हैं। आईएमएआरएस 3 डी में डेटा का पूर्व-प्रसंस्करण (पृष्ठभूमि और शोर का घटाव), क्रॉपिंग, मीडियन फ़िल्टरिंग (गामा स्ट्राइक और मृत पिक्सेल के लिए सही करने के लिए), स्वचालित बीम तीव्रता उतार-चढ़ाव सुधार और नमूना झुकाव सुधार शामिल हैं। एक बार सिनोग्राम बनने के बाद, आगे की डेटा प्रोसेसिंग जैसे रिंग आर्टिफैक्ट रिमूवल और स्मूथिंग एक विकल्प है। पुनर्निर्माण के विभिन्न चरणों को विश्लेषण सर्वर पर सहेजा जाता है (और बाद में प्रस्ताव साझा फ़ोल्डर में ले जाया जाता है), जबकि अंतिम 2 डी स्लाइस तुरंत प्रस्ताव साझा फ़ोल्डर में संग्रहीत होते हैं। चूहे की फीमर को आईएमएआरएस 3 डी का उपयोग करके पुनर्निर्माण किया गया था। पौधे की जड़ / मिट्टी के नमूने को टोमोपीवाई का उपयोग करके डेटा को औसत फ़िल्टर करके पूर्व-संसाधित किया गया था, जिसके बाद पायथन की स्कीपी लाइब्रेरी का उपयोग करके झुकाव अक्ष सुधार किया गया था।  पुनर्निर्माण इन-हाउस विकसित एक पायथन पैकेज का उपयोग करके किया गया था जिसे कहा जाता है - PyMBIR (ASTRA टूलबॉक्स34 से गुठली का उपयोग करके बनाया गया) जो बेसलाइन एफबीपी से उन्नत मॉडल-आधारित पुनरावृत्ति पुनर्निर्माण तकनीकों35 तक टोमोग्राफिक एल्गोरिदम के एक सूट को लागू करता है जो बेहद विरल और शोर न्यूट्रॉन डेटा सेट से उच्च गुणवत्ता वाले पुनर्निर्माण प्राप्त कर सकता है। उपरोक्त पुनर्निर्माण उपकरणों के आधार पर सभी प्रदान किए गए संस्करणों को क्षीणन विपरीत में दर्शाया गया है। सभी विज़ुअलाइज़ेशन वाणिज्यिक विज़ुअलाइज़ेशन, विभाजन और डेटा विश्लेषण सॉफ्टवेयर पैकेज AMIRA36 का उपयोग करके किया गया था।

इस पांडुलिपि का उद्देश्य एचएफआईआर सीजी -1 डी बीमलाइन पर न्यूट्रॉन इमेजिंग (एनआर और एनसीटी) का उपयोग करने की प्रक्रिया का प्रदर्शन करना है। यह अध्ययन जैविक नमूनों, विशेष रूप से एक माउस फेफड़े, एक चूहे की हड्डी, और पौधे की जड़ / मिट्टी प्रणालियों के लिए वर्तमान अत्याधुनिक एनआर और एनसीटी क्षमताओं को भी दर्शाता है। माउस फेफड़े को फेफड़ों के ऊतकों को मापने के लिए न्यूट्रॉन की पूरकता को चित्रित करने के लिए चुना गया था, जबकि एक्स-रे ज्यादातर हड्डियों के प्रति संवेदनशील होते हैं। हड्डी का नमूना, एक चूहा फीमर, में टाइटेनियम (टीआई) प्रत्यारोपण था, इस प्रकार हड्डी और धातु के बीच के अंतर को दर्शाता है, और हड्डी / धातु इंटरफ़ेस को देखने का अवसर (जो एक्स-रे के साथ मापना मुश्किल है क्योंकि धातुएंदृढ़ता से उन्हें क्षीण करती हैं)। अंत में, पौधे-जड़ जल प्रणाली सीटू में जड़ / मिट्टी प्रणालियों को मापने के लिए एनसीटी की त्रि-आयामी (3 डी) क्षमता को दर्शाती है। यह जैविक नमूनों के लिए एनआर का उपयोग करने के फायदे / नुकसान को भी दर्शाता है। जाहिर है, इस विधि का उपयोग पौधे-जड़ प्रणाली में पानी की गतिशीलता को मापने के लिए सुरक्षित रूप से किया जा सकता है, लेकिन विकिरण जोखिम से जुड़े जोखिमों के कारण इसे एक जीवित पशु या मानव इमेजिंग तकनीक के रूप में नहीं माना जा सकता है, इस प्रकार अध्ययन को या तो (मृत) चूहों या पैथोलॉजी जैसे मापों तक सीमित किया जाता है, उदाहरण के लिए, एक ऊतक का नमूना एक रोगी (जानवर या मानव) से निकाला जाता है और न्यूट्रॉन बीम में मापा जाने से पहले निर्धारण द्वारा तैयार किया जाता है।

Protocol

1. उपकरण सेटअप (चित्रा 3, अनुभाग 3 देखें)

  1. बीमलाइन कंप्यूटर पर, कोई टर्मिनल विंडो खोलें, cssटाइप करें, और उसके बाद उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस लॉन्च करने के लिए Enter दबाएँ ।
  2. यदि डिफ़ॉल्ट रूप से नहीं खोला गया है, तो प्रायोगिक भौतिकी और औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली (ईपीआईसीएस) इमेजिंग इंटरफ़ेस खोलने के लिए मेनू टैब में उपयोगकर्ता होम विकल्प चुनें।
  3. इंटरफ़ेस के पहले टैब (जिसे प्रपोजल /कैमरा/एसई डिवाइस कहा जाता है) का उपयोग करके, कैमरा/डिटेक्टर्स के बगल में ऑप्टिक्स बटन पर क्लिक करके बीमलाइन ऑप्टिक्स का चयन करें, यानी पिनहोल एपर्चर आकार और स्लिट्स बटन पर क्लिक करके स्लिट सिस्टम का खुलना।
  4. बोल्ट रोटेशन चरण को एक्सवाई चरणों पर रखता है, जहां नमूना रखा जाना है, और डिटेक्टर (एससीएमओएस या सीसीडी) की स्थिति है।
    1. सीसीडी या एससीएमओएस डिटेक्टर के लिए, आवर्धन के साथ लेंस का चयन करें जो उपकरण टीम के परामर्श से वांछित स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और फोकल लंबाई प्रदान करता है। पहले प्रकाश का उपयोग करके, कैमरे को या तो डिटेक्टर को दर्पण से करीब या आगे ले जाकर या मैन्युअल रूप से एक निश्चित डिटेक्टर स्थिति में लेंस को ट्यून करके केंद्रित करें। न्यूट्रॉन सिंटिलेटर के स्थान पर छवि पर ध्यान केंद्रित करें।
    2. सीसीडी या एससीएमओएस डिटेक्टर के लिए, डिटेक्टर सिंटिलेटर के खिलाफ रखे गए न्यूट्रॉन-अवशोषित रिज़ॉल्यूशन मास्क37 का उपयोग करके न्यूट्रॉन के साथ लेंस फोकस को ठीक करें। विभिन्न सेटिंग्स का उपयोग करके क्रमिक रेडियोग्राफ एकत्र करें (यानी, ईपीसीएस में डिटेक्टर मोटर को स्थानांतरित करके स्वचालित दर्पण से विभिन्न डिटेक्टर स्थितियां)।
    3. फिजी39 या एक समान छवि सॉफ्टवेयर उपकरण में लाइन जोड़े का मूल्यांकन करके रेडियोग्राफी की तुलना करें।
  5. जब उपयुक्त हो, तो नमूने को एक उपयुक्त कंटेनर (अल कंटेनर और / या अल हेवी-ड्यूटी पन्नी) में सुरक्षित करें, नमूने को डिटेक्टर के जितना संभव हो उतना रोटेशन चरण पर रखें। न्यूट्रॉन (बोरान रबर) और गामा (पीबी ईंटों) परिरक्षण का उपयोग करके डिटेक्टर और उपकरणों को ढालना।
  6. नमूना-से-डिटेक्टर दूरी को मापें, और नमूना हटा दें। इस बीमलाइन कॉन्फ़िगरेशन में नमूना स्थिति में पिक्सेल आकार का मूल्यांकन करने के लिए इसे रिज़ॉल्यूशन मास्क से बदलें। एक ज्ञात सुविधा आयाम का उपयोग करके, पिक्सेल आकार निर्धारित करने के लिए सुविधा में पिक्सेल की संख्या का मूल्यांकन करें।
  7. रोटेशन चरण पर नमूने को पुनर्स्थापित करें।
  8. ईपीसीएस इंटरफ़ेस और संरेखित नमूना टैब का उपयोग करके, नमूना को न्यूट्रॉन बीम के साथ संरेखित करके लगातार तेज (एमएस से 1 एस) रेडियोग्राफ ़ लेते हुए, जबकि नमूना डिटेक्टर के पूर्ण दृश्य में होने तक आगे बढ़ रहा है। नमूना संरेखण फ़ाइल को .csv फ़ाइल के रूप में सहेजें, जिसे CT स्कैन प्रारंभ होने से पहले पुन: उपयोग किया जाएगा।
  9. सीटी स्कैन शुरू करने से पहले, स्वचालित सीटी संरेखण जांच विकल्प ( संरेखण टैब में) का उपयोग यह सत्यापित करने के लिए करें कि नमूना रेडियोग्राफ का आकलन करके विभिन्न कोणों पर फील्ड-ऑफ-व्यू में रहता है क्योंकि वे बीम के साथ अलग-अलग नमूना झुकाव पर उत्पन्न होते हैं।

2. नमूना तैयारी और डेटा अधिग्रहण रणनीति

नोट: पशु नमूना प्रोटोकॉल को माउस फेफड़े के लिए टेनेसी विश्वविद्यालय की संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समिति और चूहे की फीमर के लिए रश यूनिवर्सिटी मेडिकल सेंटर संस्थागत पशु देखभाल और उपयोग समिति द्वारा अनुमोदित किया गया था।

  1. चूहे की जांघ की हड्डी
    1. टीआई6अल4वी रॉड (1.5 मिमी व्यास और 15 मिमी लंबाई) को नर स्प्राग-डॉवले चूहों के फीमर में प्रत्यारोपित करें, उन्हें डिस्टल फेमोरल कोंडिल्स के माध्यम से इंट्रामेडुलरी स्पेस के भीतर रखें।
    2. 12 सप्ताह के बाद चूहों की बलि दें, और फीमर की कटाई करें। सभी नरम ऊतक (जो न्यूट्रॉन क्षीणन में योगदान देता है) को हटा दें, और खारा-भिगोए हुए धुंध में प्रत्यारोपण के साथ फीमर को फ्रीज करें। फॉस्फेट-बफर्ड सलाइन (पीबीएस) में 2-इंच वर्ग धुंध स्पंज को पूरी तरह से डुबोएं, और प्रत्येक नमूने को इन भिगोए हुए स्पंज में पूरी तरह से लपेटें ( सामग्री की तालिका देखें)।
    3. एक्स-रे-आधारित माइक्रोसीटी स्कैन38 के लिए फीमर को कमरे के तापमान पर पिघलाएं, इससे पहले कि उन्हें जमे हुए अवस्था में एचएफआईआर में ले जाया जाए।
      1. एनसीटी से पहले, नमूने को फिर से पिघलाएं, और इसे सीजी -1 डी न्यूट्रॉन इमेजिंग बीमलाइन के करीब स्थित एचएफआईआर बायोहैजार्ड सेफ्टी लेवल 2 (बीएसएल 2) प्रयोगशाला में कमरे के तापमान पर लाएं। एक बार कमरे के तापमान पर, नमूने को भारी-शुल्क अल पन्नी में लपेटें और इसे अल सिलेंडर में रखें।
      2. सिलेंडर को बीमलाइन पर रोटेशन चरण पर लंबवत रूप से रखें, और 0.25 डिग्री के स्टेपिंग कोण के साथ कमरे के तापमान पर बीमलाइन पर फीमर को स्कैन करें। प्रत्येक रेडियोग्राफ को 50 सेकंड के लिए प्राप्त करें।
        नोट: सीसीडी से डेटा अधिग्रहण कंप्यूटर तक प्रत्येक रेडियोग्राफ के रोटेशन चरण आंदोलन और हस्तांतरण के लिए मृत समय को देखते हुए, स्कैन का कुल समय लगभग 24 घंटे था।
    4. एक बार जब एनसीटी पूरा हो जाता है और नमूना बीमलाइन से हटाने के लिए अधिकृत हो जाता है, तो नमूना को बीएसएल 2 प्रयोगशाला में वापस लाएं, रोकथाम को हटा दें, और आगे के प्रयोगात्मक माप के लिए इसे संरक्षित करने के लिए नमूने को फिर से फ्रीज करें।
  2. माउस फेफड़े
    1. इस अध्ययन से असंबंधित प्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले एक मृत माउस से फेफड़ों के ऊतकों को बचाएं। न्यूट्रॉन प्रयोगों से पहले 70% इथेनॉल के घोल में नमूना ठीक करें।
    2. ऊतक को भारी-शुल्क अल पन्नी में लपेटें और इसे बीएसएल 2 प्रयोगशाला से सीधे सीजी -1 डी बीमलाइन में ले जाएं। डबल कंटेनमेंट के लिए और एनसीटी स्कैन के दौरान बीम में नमूना स्थिति बनाए रखने के लिए नमूने को एएल सिलेंडर में डालें।
    3. नमूने को सीसीडी के करीब रखें, और कमरे के तापमान पर रात भर स्कैन करें।
      नोट: प्रत्येक रेडियोग्राफ 150 सेकंड था, और रोटेशन स्टेपिंग कोण 0.5 ° था, 0 से 182 ° तक। स्कैन के लिए कुल समय लगभग 16 घंटे था।
  3. जड़ी-बूटियों वाले पौधे की जड़ / मिट्टी प्रणाली
    नोट: अन्य जैविक नमूनों के साथ, हाइड्रोजन के मजबूत क्षीणन के कारण पौधे-मिट्टी प्रणाली आकार में सीमित हैं, विशेष रूप से मिट्टी या पौधे की जड़ों में पानी। बीज या रमेट को कंटेनरों में लगाया जा सकता है (अल या क्वार्ट्ज-दोनों में कम न्यूट्रॉन क्षीणन क्रॉस-सेक्शन होते हैं), या एक अधिक परिपक्व पौधे को कंटेनर में प्रत्यारोपित किया जा सकता है।
    1. साइट पर उगने वाली एक स्थानीय जड़ी बूटी की सावधानीपूर्वक खुदाई और प्रत्यारोपण (यहां, शहतूत खरपतवार (फतोआ विलोसा (थुनब)। नकाई) 2.38 सेमी x 2.58 सेमी के क्रॉस-सेक्शन के अल कंटेनर में, 6.3 सेमी की ऊंचाई, 0.055 सेमी की दीवार की मोटाई, और शुद्ध रेत (एसआईओ2) युक्त है।
    2. विआयनीकृत पानी के साथ पौधे की जड़ों को धोएं, और गीली रेत के घोल के साथ कंटेनर भरते समय उन्हें अल कंटेनर के भीतर सावधानीपूर्वक प्रदर्शित करें।
      नोट: मिट्टी के साथ कंटेनर भरते समय, गीली मिट्टी का उपयोग करना महत्वपूर्ण है, क्योंकि सूखी मिट्टी कण आकार से अलग हो जाएगी और कंटेनर12,13 में टेक्स्टल कलाकृतियों का निर्माण करेगी।
    3. रोपण के बाद, पौधे प्रणाली के संतृप्त वजन को मापें, और पानी के उपयोग की दर का आकलन करने के लिए हर दिन पौधे प्रणाली का वजन करें। पानी को या तो मिट्टी की ऊपरी सतह पर या ट्यूब या सिरिंज का उपयोग करके कंटेनर के तल पर एक बंदरगाह या छेद के माध्यम से लागू करें।
      नोट: यहां, संयंत्र प्रणाली को एक पैमाने पर रखा गया था, और वजन के आधार पर दैनिक पानी के उपयोग को बदलने के लिए प्रत्येक दिन शीर्ष पर पानी लागू किया गया था। मिट्टी के पानी की मात्रा को कम करने और जड़ों में कंट्रास्ट को बढ़ाने के लिए इमेजिंग से पहले पानी को रोका जा सकता है।
    4. नियंत्रित तापमान और प्रकाश12 के साथ एक ऑनसाइट विकास कक्ष में संयंत्र प्रणाली का प्रचार करें। इमेजिंग से पहले 1 सप्ताह के लिए संयंत्र प्रणाली को बनाए रखें ताकि अल कंटेनर में पौधे की जड़ अनुकूलन की अनुमति मिल सके।
      नोट: एक बार इमेजिंग शुरू होने के बाद, पौधे को पानी न दें।
    5. प्रत्येक ~ 1.75 घंटे में एनसीटी स्कैन करें, और मिट्टी और पौधे के पानी की मात्रा में गतिशील 3 डी परिवर्तनों को मैप करने के लिए 2.5 दिनों की अवधि में लगातार स्कैन करें। इन मापों के लिए, समय संकल्प के पक्ष में स्थानिक रिज़ॉल्यूशन को कुछ सौ μm तक कम करें (यानी, प्रत्येक प्रक्षेपण के लिए तेजी से अधिग्रहण समय)।
      नोट: प्रत्येक सीटी स्कैन 0.93 ° के रोटेशन कोण और प्रति प्रक्षेपण 10 सेकंड के अधिग्रहण समय के साथ किया गया था। इस पांडुलिपि के उद्देश्य के लिए, केवल पहला सीटी स्कैन प्रस्तुत किया गया है।

3. डेटा अधिग्रहण

नोट: सीजी -1 डी में डेटा अधिग्रहण प्रणाली ईपीसीएस सॉफ्टवेयर40 का उपयोग करती है। ईपीसीएस प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल का मार्गदर्शन करने और मानव त्रुटि को कम करने के लिए विकसित किया गया है; यह इंटरफ़ेस तार्किक रूप से एक नमूने को मापने से पहले विभिन्न आवश्यक चरणों के माध्यम से कदम उठाता है, जैसा कि चित्रा 3 में दिखाया गया है।  ईपीआईसीएस डेटा अधिग्रहण प्रोटोकॉल निम्नानुसार है (चित्रा 3)। बाएं खंड मोटर पदों और प्रयोग विवरण (नमूना जानकारी, प्रस्ताव संख्या और टीम के सदस्यों) के साथ चल रहे प्रयोग की स्थिति प्रदान करता है। प्रत्येक प्रयोग एक प्रस्ताव संख्या, और एक या कई नमूने के साथ जुड़ा हुआ है। प्रस्ताव की जानकारी जैसे टीम के सदस्य और चयनित नमूना नाम भी दाईं ओर उपलब्ध हैं (पहला टैब जिसका नाम "प्रस्ताव / कैमरा / नमूना पर्यावरण डिवाइस" है)। केंद्र अनुभाग में छवि के नीचे स्थिति और लॉग जानकारी के साथ साइड में एक गतिशील रेंज स्केल बार के साथ वर्तमान रेडियोग्राफ शामिल था।

  1. प्रस्ताव/कैमरा/एसई डिवाइस शीर्षक वाले पहले ईपीसीएस टैब का चयन करें। स्विच प्रस्ताव या नमूना बटन पर क्लिक करें। पिछले टैब को प्रतिस्थापित करने वाले प्रस्तावों (बाएं) और नमूना (दाएं) की सूची में मापे जाने के लिए प्रोजेक्ट नंबर और नमूना आईडी # का चयन करें।
  2. मुख्य ईपीसीएस इंटरफ़ेस पर वापस आने के लिए बैक एरो का उपयोग करें। कैमरा/डिटेक्टर विकल्प सूची में चार उपलब्ध डिटेक्टरों (एंडोर सीसीडी, एंडोर एससीएमओएस, एसबीआईजी सीसीडी, या एमसीपी) में से एक का चयन करके उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टर (एससीएमओएस या सीसीडी) का चयन करें।
    नोट: एसबीआईजी सीसीडी का उपयोग उपकरण द्वारा परीक्षण के लिए किया जाता है और वर्तमान पांडुलिपि के लिए इसे अनदेखा किया जा सकता है।
  3. नमूना परिवेश डिवाइस अनुभाग में उपयोग किए जाने वाले रोटेशन चरण का चयन करें.
    1. सबसे पहले, नमूना पर्यावरण डिवाइस सूची में रोटेशन स्टेज (सीटी स्कैन) पर क्लिक करें। फिर, रोटेशन चरणों में से एक का चयन करें (जो स्कैन किए जाने वाले नमूने से मेल खाता है)।
  4. अंत में, टैब के नीचे, डेटा अधिग्रहण मोड का चयन करें। इस मामले में, पहले विकल्प, व्हाइट बीम का चयन करें।
    नोट: अधिग्रहण का तरीका या तो सफेद बीम (न्यूट्रॉन तरंग दैर्ध्य की पूरी श्रृंखला लेते हुए) या सीजी -1 डी बीमलाइन पर मोनोक्रोमैटिक है।
  5. नमूना संरेखित शीर्षक वाले दूसरे EPICS टैब का चयन करें। कोई नमूना फ़ाइल नाम लिखें, और Enter दबाएँ. उप फ़ोल्डर नाम के लिए प्रक्रिया दोहराएँ।
    नोट: ईपीसीएस इंटरफ़ेस को उचित प्रयोगात्मक निर्देशिकाओं में डेटा को स्वचालित रूप से सहेजने के लिए प्रोग्राम किया गया है, जिसका उपयोग इन-हाउस पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर जांच के तहत 3 डी ऑब्जेक्ट के 2-आयामी (2 डी) स्लाइस का उत्पादन करने के लिए करता है। दूसरा टैब, संरेखित नमूना, रेडियोग्राफ का उपयोग करके नमूने के संरेखण की अनुमति देता है जो केवल कुछ सेकंड हैं क्योंकि इन रेडियोग्राफका उपयोग बाद में डेटा प्रोसेसिंग और विश्लेषण के लिए नहीं किया जाता है। एक बार जब सभी मोटर्स ठीक से तैनात हो जाते हैं, तो उनकी स्थिति को .csv फ़ाइल प्रारूप में सहेजा जा सकता है; इस प्रकार, प्रत्येक नमूना संरेखण में इसकी संबंधित .csv फ़ाइल होती है जिसे बाद में सीटी स्कैन के लिए नमूने की स्थिति के लिए वापस बुलाया जा सकता है।
  6. तीन मोटर्स के संरेखण को छोड़ दें, यानी, मान लें कि नमूना संरेखित है और सीटी के लिए तैयार है। एक वांछित अधिग्रहण समय का चयन करें, और टेक क्विक इमेज बटन पर क्लिक करें। एसएनआर का मूल्यांकन करने के लिए विभिन्न अधिग्रहण समय के साथ रेडियोग्राफ की एक श्रृंखला एकत्र करें।
  7. ओपन इमेजजे / फिजी; विभिन्न रेडियोग्राफ़ को खींचें और छोड़ें। नमूने से खुले क्षेत्र में जाने वाली प्रोफ़ाइल को प्लॉट करें; एसएनआर का मूल्यांकन करें।
  8. यदि XY चरण (एकाधिक रोटेशन चरण, प्रत्येक एक नमूने के लिए) पर एकाधिक नमूने सेट किए गए हैं, तो संरेखण के बाद प्रत्येक नमूना स्थिति रिकॉर्ड करें, और फ़ाइल में सहेजें बटन पर क्लिक करके डेटा को .cvs फ़ाइल के रूप में सहेजें .
  9. सीटी स्कैन पैरामीटर सेट करने के लिए डेटा एकत्र करें शीर्षक वाले तीसरे ईपीसीएस टैब का चयन करें। पहली लेखन योग्य पंक्ति पर कोई फ़ाइल नाम लिखें, और Enter दबाएँ। उप-फ़ोल्डर नाम के लिए दोहराएँ।
    नोट: डेटा एकत्र करें टैब का लेआउट पहले टैब में समय-बीतचुके रेडियोग्राफ़ (कोई एसई नहीं) या सीटी स्कैन (रोटेशन चरण का चयन) की एक श्रृंखला के चयन पर निर्भर करता है।
  10. सहेजी गई फ़ाइल का उपयोग कर नमूना संरेखित करें अनुभाग में, उस फ़ाइल का चयन करें जिसने पहले नमूना मोटर स्थिति (चरण 1.8) रिकॉर्ड की थी. हाल ही में सहेजी गई नमूना संरेखण फ़ाइलों के माध्यम से ब्राउज़ करने के लिए हाल ही में सहेजी गई फ़ाइलों का उपयोग करें। न्यूट्रॉन बीम में नमूना को वापस स्थिति में ले जाने के लिए फ़ाइल का उपयोग करके संरेखित करें पर क्लिक करें।
  11. निक्विस्ट के नमूना प्रमेय के आधार पर सीटी के लिए आवश्यक अनुमानों की संख्या की गणना करें। नमूना क्षैतिज आयाम में पिक्सेल की संख्या की गणना करें, और न्यक्विस्ट के नमूने को पूरा करने के लिए आवश्यक अनुमानों की संख्या प्राप्त करने के लिए 1.5 से गुणा करें।
  12. रोटेशन स्टार्ट एंगल (आमतौर पर 0 °), रोटेशन एंड एंगल (आमतौर पर 180 °), रोटेशन स्टेप साइज़, प्रति चरण छवियों की संख्या (आमतौर पर 1 पर सेट), और प्रत्येक छवि के लिए एक्सपोज़र समय दर्ज करें। डेटा एकत्र करें बटन पर क्लिक करके सीटी स्कैन प्रारंभ करें।

4. वॉल्यूम पुनर्निर्माण और डेटा प्रसंस्करण /

नोट: डेटा सामान्यीकरण, पुनर्निर्माण और विश्लेषण के लिए सभी सीजी -1 डी सॉफ्टवेयर उपकरण ओआरएनएल सुविधा के पायथन रिपॉजिटरी और सुविधा के विश्लेषण सर्वर पर उपलब्ध हैं। 2 डी माप के लिए, प्री-प्रोसेसिंग जुपिटर पायथन नोटबुक41 का उपयोग करके किया जा सकता है। एक नोटबुक का एक उदाहरण चित्रा 4 में उपलब्ध है। नमूने के बाहर रुचि के क्षेत्र का चयन करने से पहले कोई भी अपने डेटा को लोड और पूर्वावलोकन कर सकता है जिसका उपयोग किसी भी बीम उतार-चढ़ाव को 1 (या 100%) संचरण को सामान्य करने के लिए किया जाता है। इन नोटबुक ्स को प्रत्येक माप के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे प्री-प्रोसेसिंग एक सीधा प्रयास बन जाता है। इसके अलावा, 2 डी विश्लेषण एक ही नोटबुक में किया जा सकता है जैसे कि समय के माध्यम से एक नमूने में गतिज परिवर्तन (यानी एक नमूने में पानी का उठाव) को ट्रैक करना।

  1. उपयोगकर्ता नाम और पासवर्ड का उपयोग कर Linux विश्लेषण सर्वर पर लॉग ऑन करें। वेब ब्राउज़र खोलें, और jupyter.sns.gov टाइप करें।
  2. IMARS3D नाम के अजगर Jupyter नोटबुक खोलें। कोड की पहली कुछ पंक्तियाँ चलाएँ (जो IMARS3D चलाने के लिए आवश्यक उपकरण लोड करता है)। डेटा, फ्लैट और डार्क फ़ील्ड लोड करें। सत्यापित करें कि सभी तीन डेटा सेट ठीक से लोड किए गए हैं।
  3. डेटा को क्रॉप करने, फ़िल्टर िंग (आवश्यकतानुसार), सामान्यीकरण (स्वचालित नमूना झुकाव सुधार के साथ), और वॉल्यूमेट्रिक पुनर्निर्माण (एक लंबी प्रक्रिया) के साथ आगे बढ़ें। डेटा साझा नाम के प्रोजेक्ट नंबर फ़ोल्डर में सहेजें। AMIRA36 को चालू करने के बाद, जो सुविधा विश्लेषण सर्वर पर भी उपलब्ध है, सॉफ़्टवेयर में पुनर्निर्मित स्लाइस लोड करें, और विज़ुअलाइज़ेशन, आगे फ़िल्टरिंग और विश्लेषण के साथ आगे बढ़ें।

Representative Results

चित्रा 5 ए एक प्रतिनिधि चूहे की फीमर की तस्वीर है जो मापा के समान आकार का है; चित्रा 5 बी, सी टीआई प्रत्यारोपण के साथ एक चूहे की फीमर के एनसीटी का प्रतिनिधित्व करता है। चित्रा 5 बी फीमर के झूठे रंग क्षीणन-आधारित एनसीटी को दर्शाता है, जबकि चित्रा 5 सी एक्स-रे मेडिकल सीटी के समान टीआई इम्प्लांट (ग्रे स्केल में) को प्रकट करने के लिए चित्रा 5 बी के समान अभिविन्यास के साथ हड्डी के माध्यम से एक विकर्ण कट का प्रतिनिधित्व करता है। यह प्रत्यारोपण हड्डी सामग्री के रूप में न्यूट्रॉन के साथ बातचीत नहीं करता है; इस प्रकार, इसकी क्षीणन न्यूनतम है, और यह आसपास की हड्डी की तुलना में गहरा (यानी, कम क्षीण) दिखाई देता है। ट्रेब्युलर हड्डी, जो फीमर के मज्जा स्थान के भीतर मौजूद है, नमूने के समीपस्थ छोर पर स्पष्ट रूप से दिखाई देती है (चित्रा 5 बी में लाल तीर)।

चित्रा 6 ए, बी इथेनॉल-फिक्स्ड माउस फेफड़े की प्रतिनिधि तस्वीरें दिखाता है, दो अलग-अलग स्थितियों में, एनसीटी के लिए उपयोग किया जाता है ताकि नरम ऊतक नमूनों का पता लगाने के लिए न्यूट्रॉन की क्षमता का प्रदर्शन किया जा सके। एनसीटी से प्राप्त माउस फेफड़े की पुनर्निर्मित मात्रा को चित्रा 6 सी, डी में दिखाया गया है, जिसे चित्रा 6 ए, बी के समान तरीके से तैनात किया गया है। फेफड़े के दाहिने लोब के माध्यम से एक कट चित्र 6 ई में चित्रित किया गया है। नमूने के अपेक्षाकृत छोटे आकार के बावजूद, न्यूट्रॉन संवेदनशीलता स्पष्ट रूप से ~ 75 μm स्थानिक संकल्प पर फेफड़ों की संरचना का पता लगाने से प्रदर्शित होती है। जैसा कि अपेक्षित था, क्षीणन की सीमा काफी व्यापक है, जिसमें एक बड़ा हिस्सा कम से मध्यम न्यूट्रॉन क्षीणन के अनुरूप है क्योंकि फेफड़ों में हवा युक्त स्पंज जैसी संरचना होती है।

चित्रा 7 ए पौधे के नमूने की एक तस्वीर दिखाता है, जबकि चित्रा 7 बी एक आयताकार अल कंटेनर में पौधे की जड़ / मिट्टी प्रणाली के झूठे रंग वॉल्यूमेट्रिक प्रतिपादन का प्रतिनिधित्व करता है (जो दिखाई नहीं देता है क्योंकि अल ज्यादातर न्यूट्रॉन के लिए पारदर्शी है)। पिछले डेटा सेटों की तुलना में, एसएनआर खराब है, जैसा कि अपेक्षित है, क्योंकि डेटा को 2.5 दिनों में 3 डी में जड़ में पानी के तेज के गतिशील आंदोलनों को ट्रैक करने के लिए तेजी से प्राप्त किया गया था। इस प्रकार, प्रत्येक सीटी स्कैन को ~ 1.75 एच विंडो के भीतर मापा जाने के लिए अनुकूलित किया गया था। खराब एसएनआर के बावजूद, मिट्टी में जड़ प्रणाली गलत रंग में चित्रा 7 सी, डी में प्रदर्शित नमूने के ऊर्ध्वाधर कट में स्पष्ट रूप से दिखाई देती है।

Figure 1
चित्रा 1: एचएफआईआर सीजी -1 डी न्यूट्रॉन इमेजिंग बीमलाइन का योजनाबद्ध ड्राइंग। इमेजिंग बीम को एपर्चर सिस्टम द्वारा परिभाषित किया गया है जो एक शंकु बीम ज्यामिति को परिभाषित करता है। बीम को अवांछित आवारा न्यूट्रॉन को हटाने के लिए बीम स्क्रैपर्स के साथ एक ही-भरी उड़ान ट्यूब के माध्यम से ले जाया जाता है। फ्लाइट ट्यूब के अंदर एक बोरेटेड रबर लाइनर पड़ोसी बीमलाइनों से पृष्ठभूमि को कम करता है। संक्षेप: एचएफआईआर = उच्च फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर; वह = हीलियम; एल = व्यास, डी और डिटेक्टर के पिनहोल एपर्चर से दूरी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: उच्च फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर में सीजी -1 डी न्यूट्रॉन इमेजिंग सुविधा। तस्वीर दिखाती है, सामने दाएं से बाएं, उड़ान ट्यूब, नमूना क्षेत्र और बीम स्टॉप। न्यूट्रॉन बीम तस्वीर के दाईं ओर से आ रहा है। उड़ान ट्यूब पर वैज्ञानिक और उद्योग अनुसंधान समुदायों द्वारा हस्ताक्षर किए गए हैं जो उपकरण का उपयोग करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: ईपीसीएस इंटरफ़ेस। सीजी -1 डी ईपीसीएस इंटरफ़ेस को तीन वर्गों में विभाजित किया गया है: स्थिति अनुभाग (बाएं), प्रदर्शन क्षेत्र (इस उदाहरण में, पीतल समुद्री सनडायल का एक कच्चा रेडियोग्राफ), और 2 डी और 3 डी इमेजिंग के लिए पैरामीटर इनपुट। संक्षेप: ईपीआईसीएस = प्रायोगिक भौतिकी और औद्योगिक नियंत्रण प्रणाली; 2 डी = दो आयामी; 3 डी = तीन आयामी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: एक जुपिटर नोटबुक का एक स्क्रीनशॉट। इस नोटबुक का उपयोग रेडियोग्राफ़ के एक सेट को सामान्य करने से पहले पूर्वावलोकन करने के लिए किया जाता है। इस उदाहरण में, चित्र 3 में दिखाए गए उसी पीतल के समुद्री सनडायल की कल्पना की गई है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: टाइटेनियम प्रत्यारोपण के साथ चूहा फीमर। (ए) एक प्रतिनिधि चूहे की फीमर की तस्वीर। (बी) एनसीटी से प्राप्त चूहे की फीमर की मात्रा 3 डी प्रदान की गई। (सी) फीमर के अंदर टाइटेनियम रॉड को दिखाने वाला विकर्ण टुकड़ा। लाल तीर त्रिकोणीय हड्डी दिखाते हैं। स्केल सलाखों को क्रमशः x और y अक्षों द्वारा प्रस्तुत किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6: माउस फेफड़े एनसीटी (ए) और (बी) माउस फेफड़े की प्रतिनिधि तस्वीरें। (सी) और (डी) क्षीणन-आधारित 3 डी ने (ए) और (बी) के समान स्थिति का उपयोग करके माउस की मात्रा प्रदान की। (ई) माउस फेफड़े (डी) के दाहिने लोब के माध्यम से प्रतिनिधि टुकड़ा न्यूट्रॉन क्षीणन (ज्यादातर कम क्षीणन) के एक अलग ढाल के साथ प्राप्त फेफड़ों की संरचना को दर्शाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7: पौधे की जड़ / मिट्टी प्रणाली के माध्यम से न्यूट्रॉन गणना टोमोग्राफी और स्लाइस । (ए) पौधे के नमूने की तस्वीर। (बी) पौधे की न्यूट्रॉन कंप्यूटेड टोमोग्राफी से 3 डी ने मात्रा प्रदान की जिसमें जमीन के ऊपर तने को दिखाया गया है, और पानी के साथ मिट्टी प्रणाली (लाल रंग में)। (सी) और (डी) को मिट्टी (लाल तीर) में तने और जड़ों को दिखाने के लिए नमूने के कोण के माध्यम से काटा जाता है। मिट्टी में गहरे नीले क्षेत्र पानी की उपस्थिति का संकेत देते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी और जैविक नमूनों के सीटी आशाजनक इमेजिंग तकनीकहैं जो एक्स-रे इमेजिंग या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के पूरक हैं। एक जैविक नमूने के न्यूट्रॉन इमेजिंग प्रयोग करने में महत्वपूर्ण कदम इसकी तैयारी और बीमलाइन पर इसकी रोकथाम से संबंधित हैं। एक प्रयोग का अनुकूलन उत्तर दिए जाने वाले वैज्ञानिक प्रश्न से प्रेरित होता है। यदि विज्ञान के प्रश्न को किसी घटना का निरीक्षण करने के लिए उच्च स्थानिक संकल्प की आवश्यकता होती है, तो लंबे अधिग्रहण समय की आवश्यकता होती है, और एनसीटी (सेमी आकार के फील्ड-ऑफ-व्यू के साथ) का दोष यह है कि स्कैन करने में घंटों लगते हैं। यह ज्यादातर सिंक्रोट्रॉन स्रोत की तुलना में रिएक्टर में उपलब्ध समग्र न्यूट्रॉन फ्लक्स में अंतर के कारण होता है, जहां एक्स-रे सीटी स्कैन में कुछ मिमी2 फील्ड-ऑफ-व्यू के लिए सेकंड से मिनट तक का समय लग सकता है। यद्यपि विधि को जानवरों से निकाले गए विवो ऊतक के नमूनों पर लागू किया जा सकता है, लेकिन विकिरण जोखिम जोखिम (जैसे न्यूट्रॉन द्वारा उत्पादित गामा किरणें और नमूने में परमाणुओं के साथ न्यूट्रॉन इंटरैक्शन) के कारण इसे विवो में जीवित जानवरों या मनुष्यों तक नहीं बढ़ाया जा सकता है। हालांकि, यह पौधे की जड़ / मिट्टी की बातचीत (चित्रा 7) जैसे पानी के उत्थान की गतिशीलता की इमेजिंग के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है।

पौधे की गतिशीलता के लिए फास्ट एनसीटी का उपयोग करने का लाभ पानी में एच के प्रति संवेदनशीलता और एक्स-रे सीटी के विपरीत पौधे को विकिरण क्षति की अनुपस्थिति है। धातु के नमूनों में न्यूट्रॉन के उपयोग से अद्वितीय अंतर देखा जा सकता है जैसे कि चूहे की फीमर जहां धातु आसपास के ऊतकों की तुलना में अपेक्षाकृत पारदर्शी है (चित्रा 5), संभावित रूप से एक्स-रे सीटी39 द्वारा प्रेरित धातु कलाकृतियों से बचता है। पशु ऊतक, जैसे माउस फेफड़े (चित्रा 6), नरम ऊतक संरचना का प्रभावशाली पता लगाते हैं क्योंकि न्यूट्रॉन एच के प्रति संवेदनशील होते हैं, लेकिन स्थानिक संकल्प इन मापों में कुछ हद तक सीमित कारक है। कंट्रास्ट जैविक नमूने19,39 में मौजूद एच परमाणुओं द्वारा प्रदान किया जाता है।

न्यूट्रॉन ग्रेटिंग इंटरफेरोमेट्री जैसी नई तकनीकों की प्रगति के साथ, और स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में सुधार (कुछ माइक्रोन हाल ही में42,43 रिपोर्ट किए गए हैं) न्यूट्रॉन इमेजिंग बेहतर स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ जैविक ऊतकों के लिए अभी तक नए विपरीत तंत्र प्रदान कर सकता है। उच्च ऊर्जा न्यूट्रॉन की खोज (मोटे नमूनों के माप की अनुमति देने के लिए) एक बरकरार माउस जैसे पशु ऊतक के बड़े वर्गों को मापने की क्षमता का भी वादा करती है, इस प्रकार जैव चिकित्सा अनुसंधान के लिए अभी तक नई संभावनाएं प्रदान करती है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस शोध के एक हिस्से ने ओआरएनएल द्वारा संचालित हाई फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर में संसाधनों का उपयोग किया, और यूटी-बैटेले, एलएलसी के साथ अनुबंध डीई-एसी 05-00ओआर 22725 के तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग, विज्ञान कार्यालय, उपयोगकर्ता सुविधाओं द्वारा प्रायोजित किया। इस शोध का एक हिस्सा यूजीन विगनर प्रतिष्ठित स्टाफ फैलोशिप कार्यक्रम के माध्यम से ओआरएनएल द्वारा समर्थित था। यह शोध डीओई ऑफिस ऑफ साइंस, ऑफिस ऑफ बायोलॉजिकल एंड एनवायरनमेंटल रिसर्च द्वारा भी प्रायोजित किया गया था। चूहे के ऊरु नमूने एनआईएच (आर01एआर066562) और आर्थोपेडिक रिसर्च एंड एजुकेशन फाउंडेशन-स्मिथ एंड भांजा पुरस्कार से प्राप्त धन के साथ रश यूनिवर्सिटी मेडिकल सेंटर में डॉ रिक समनर के सहयोग से किए गए प्रयोगों से प्राप्त किए गए थे। टीम एचएफआईआर सहायता टीमों को धन्यवाद देना चाहती है जो न्यूट्रॉन स्कैटरिंग बीमलाइन के उपयोग को सक्षम करती हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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