Kuvauslaitteet
SIB Labsilla on kaksi mikrometriluokan kuvantamiseen kykenevää röntgentomografialaitetta. Uudempi Nikon XTH 225 ja vanhempi Skyscan 1172. Skyscan 1172 asennettiin kesällä 2006 ja Nikon XTH 225 keväällä 2020. Skyscan soveltuu pienille parin cm kokoisille näytteille, joissa ei ole metalleja. Nikonilla voidaan kuvata näytteitä muurahaisesta lähes koripallon kokoiseen saakka, sekä myös metallinäytteitä.
Nikonilla voidaan kuvata tavanomaisesti pyörittämällä näytettä 360 astetta, tai ns. helical-tyyppisesti, jolloin näyte kulkee detektorin edestä alhaalta ylöspäin samalla kun pyörii. Resoluutio on parhaimmillaan 2-3 mikrometriä, mutta näytekoko rajoittuu silloin pariin millimetriin.
Nikon XTH 225 -laitteen röntgenputken teho on jopa 225 W. Heijastuskohtion kohtiomateriaalina on tavallisesti volframi, mutta myös molybdeenia, kuparia ja hopeaa voidaan käyttää. Jännitettä voidaan säätää välillä 20-225 kV. 10 W läpäisykohtiossa materiaalina on volframi ja berylliumikkuna. Läpäisykohtiolla jännite voi olla 20-180 kV.
Skyscan 1172:n röntgenputken teho on 10 W. Röntgenputken jännitettä voidaan säätää välillä 20-100 kV.
Nikon XTH 225: Röntgendetektorina on litteä paneelidetektori Varex 43 x 43 cm, jossa kuvapikseleitä on 2880 x 2880. Kuvataajuus on 15 fps. Vakiosuodattimien materiaalit ovat Al, Cu, Ag ja Sn.
Skyscan 1172: Röntgenilmaisimena on skintillaattori, joka on yhdistetty kuituoptiikalla 12 bit CCD-kennoon. Kuva-ala on 34 x 18 mm ja kuvapikseleitä 4000 x 2624. Kuvataajuus voi olla jopa 6 fps. Valotusaika voi olla enintään 10 s. Matalaenergisten fotonien suodattamiseksi standardisuodattimet ovat 0,5 mm Al ja Al+Cu-suodin, joka vastaa noin 2 mm alumiinia. Tarvittaessa voidaan tehdä lisäsuodattimia.
Nikon XTH:lle näyte voi painaa jopa 15 kg. Pienimmät näytteet voivat olla alle millimetrin kokoisia, ja suurimmat noin koripallon kokoisia. Näytteen korkeus voi olla jopa 65 cm, mutta silloin sen liikuttelu on hyvin rajallista. Nikon XTH:n näytealustaa voidaan sekä siirtää että kallistaa. Kallistus voi olla enintään 30 astetta.
Skyscan 1172:lle näytteen optimaalinen koko on alle 3 cm halkaisijaltaan ja alle 5 cm korkeudeltaan.
Kuvattava kappale voi olla esimerkiksi pala kasvia tai puuta, muoviesine, metallia tai näiden sekoitus. Hyönteinen, siemen, lääketabletti tai hammas ovat tavallisia näytteitä. Kuvattava voi olla myös elintarvike, geologinen näyte, hitsaussauma tai 3D-tulostettu kappale.
Mitä pienempi näyte on, sen tarkemmin se voidaan kuvata. Muutaman millimetrin kokoinen kappale saadaan kuvattua 2-3 mikrometrin erotuskyvyllä. Toisaalta koripallon kokoiselle kappaleelle erotuskyky on noin puoli millimetriä.
Skyscan 1172:n lisälaitteessa materiaaleja voidaan puristaa tai venyttää enintään 220 N voimalla. Kuorma tai siirtymä on ennalta asetettavissa. Kuorma ja siirtymä saadaan tallennettua sekä käyränä että tekstitiedostona. Puristus- tai venytysliikkeen voi keskeyttää tai pysäyttää halutuissa kohdissa.
Materiaalitestauslaitteen sisäkorkeus on 13-22 mm ja sisähalkaisija 20 mm. Voimamuutoksen tarkkuus on 1 N. Liikepituus on 6 mm, ja 0,01 mm siirtymä vie noin 4 s.
Skyscan 1172:ssa 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. Näytepitimiä muokataan tai valmistetaan useimmiten yksilöllisesti kuvattavan kappaleen mukaan. Nikonissa kuvattava näyte voi olla jopa 15 kg painoinen ja kooltaan muurahaisen päästä lähes koripallon kokoiseen kappaleeseen. Mitä pienempi näyte on sen tarkemmin se voidaan kuvata.
Skyscan 1172:ssa näytteen optimikoko on alle 3 cm kokoinen eikä sisällä metalleja tai kiveä tai muita yhtä tiheitä materiaaleja. Sopivia kappaleita ovat esimerkiksi puupalaset, hyönteiset, siemenet, hampaat tai lääketabletit.
Ohessa on esimerkinomaisesti kuvaustaulukko, josta voi arvioida pikselikoon, kuva-alan ja kuvausajan yhteyttä Skyscan 1172:lla kuvattaessa. Käytännössä kuvausaika riippuu myös kuvakeskiarvoistuksesta ja kuvauskulman muutoksen suuruudesta, joten kuvausaika on tapauskohtainen. Lukutarkkuus 4x4 vastaa 1000x524 pikseliä, 2x2 vastaa 2000x1048 pikseliä, ja 1x1 vastaa 4000*2096 pikseliä.
Lyhin kuvausaika sopii hyvin röntgensäteilyä läpäiseville näytteille, esimerkiksi kasvinosat ja puu, jolloin ei tarvita suodattimia. Pisin kuvausaika tarvitaan mm. luunäytteille Al+Cu-suodattimella.
Skyscan 1172:n 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.
Skyscan 1172:n 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. Kuvat voidaan muuntaa erikseen DICOM-muotoon. Leikekuvien pikseliarvojen vaihteluita voidaan lieventää (smoothing), mutta kuvan pienet yksityiskohdat voivat hävitä ja kuvan histogrammi voi muuttua.
Nikon XTH leikekuvat voidaan laskea Volume Graphics -muotoon, tiff-kuviksi tai DICOM-kuvamuotoon.
Skyscan 1172:n kuvalaskennassa ROI (Region of Interest, tarkasteltava alue) voi olla suorakulmio, neliö, ellipsi tai ympyrä. Kuvan reunoille voi kirjoittaa mittakaavan. Nikon XTH:n kuvalaskennassa rajaus tehdään suorakulmaisena särmiönä.
Kuvassa on männyn siemenen poikkileikkaus, osa suurempaa kuvaa. Kuvan pikselikoko on 10 µm ja kuvausaika 54 min.
Skyscanin kuvankäsittelyohjelma CT-Analyserilla 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.
Analysointiin on käytettävissä myös Volume Graphics Studio Max -ohjelma, jossa on ohjelmisto-osat koordinaattimittauksille, huokoisuusanalyysille, kuituanalyysille sekä vaahto- tai jauheanalyysille.
Leikekuvasarjoja on helppo katsella Skyscanin DataViewer-ohjelmalla. DataViewerillä voi esimerkiksi muuttaa harmaasävykuvat värillisiksi, kaventaa sävyasteikkoa, tarkastella kuvatun kappaleen poikkileikkauksia eri suunnista ja katsoa harmaasävyprofiilia halutusta kohdasta.
Leikekuvia voi muokata tai värjätä kuvankäsittelyn keinoin.
Poikkileikkauskuvat lasketaan tietyssä suunnassa, mutta niitä voidaan tarkastella ja tallentaa uudelleen halutusta suunnasta katsottuna.
Kuvassa poikkileikkauskuvia jauhopukista (Tenebrio molitor). Kuvan alkuperäinen pikselikoko on 5 µm. Jauhopukki kuvattiin Skyscan 1172:lla neljässä eri osassa, jolloin kokonaiskuvausaika oli 4 h.
Leikekuvasarjasta voi tehdä videon tai 3D-kuvia stl-muodossa. 3D-tiedoston läpinäkyvyyttä voi muuttaa ja erotettujen osien värejä voi muuttaa. 3D-näkymästä voi myös tehdä videon.
Ohessa kuvakaappaukset jauhopukin ja toukallisen siemenen 3D-videoista.
Kuvauskohde ja kuvauksessa huomioitavaa
Kuvauskohde
Kuvattava näyte on kiinnitettävä niin, että näyte ei liiku kuvauksen aikana leikekuvassa havaittavasti, eikä näytteestä saa haihtua aineita kuvauskammioon. Näytteen sulaminen tai kuivuminen voivat aiheuttaa häiritseviä liikuntoja, ja nestevirtaukset voivat tuottaa häiriöitä leikekuviin. Kuvauksen aikana laitteen kuvauskammion tuulettimen ilmavirta voi liikuttaa tai irrottaa keveitä osia näytteestä.
Yleisin kuvauskokonaisuus
Kuvattavaksi tuodun näytteen yleisin kuvauskokonaisuus sisältää:
- kuvauksen, kuvalaskennan ja analyysin suunnittelun,
- yhden kuva-alan mikroCT-kuvauksen,
- kuvausdatan (tiff-läpivalaisukuvia),
- optimoidun leikekuvien laskennan ja leikekuvat,
- yhden vakio-ROI:n tai VOI:n (sylinteri tai suorakulmainen särmiö) 2D tai 3D-analyysin tulostiedostoineen (.txt),
- datan toimituksen asiakkaalle mahdollisesti erikseen hankittavalla tallennusmedialla.
Kuvaussuunnittelussa huomioitavia seikkoja
Näytteen käsittely
- Näytteen säilyttäminen?
- Voiko näytettä leikata tai muokata?
- Miten näytteen voi kiinnittää pidikkeeseen?
- Huomioi, että näyte ei sula tai kuivu kuvauksen aikana, eikä siitä haihdu aineita kuvauskammioon.
- Voiko käsittelijälle tapahtua haitallista kontaminaatiota?
- Näytteen käsittely kuvauksen jälkeen?
Kuvauksen tarkoitus
- Mitä kappaleita? Minkä kokoinen näyte?
- Mitä kuvauksella halutaan selvittää?
- Kuvataanko koko näyte vai jokin osa?
- Mikä on piirteiden mittakaava? Minkä kokoinen kuvan pikselikoko halutaan?
- Tarvitaanko tiheysmittauksia? Millaisia vaimennuseroja (tiheyseroja) näytteessä on?
- Tehdäänkö analyyseja 2D tai 3D? Mikä on analysoitava alue?
- Mitä parametreja lasketaan?
- Käsitelläänkö kuvasarjaa edelleen väärävärikuviksi, 3D-kuviksi tai videoiksi?
Kuvien käyttö
- Miten kuvia tai tuloksia saa hyödyntää opetuksessa, tutkimuksessa ja julkaisemisessa?
- Onko salassa pidettävää aineistoa?
- Miten kuvauskokonaisuudesta raportoidaan?
- Mitä dataa asiakkaalle toimitetaan?
- Mikä on toivottu aikataulu?
