Рентгеновская компьютерная томография
Рентгеновская компьютерная томография — это экспериментальный метод, сочетающий дифракцию рентгеновских лучей с подходом к сбору данных компьютерной томографии . Рентгеновская дифракция (XRD) и компьютерная томография (КТ) была впервые представлена в 1987 году Harding et al. [1] с использованием лабораторного дифрактометра и монохроматического рентгеновского карандашного луча . Первая реализация метода на синхротронных установках была осуществлена в 1998 году Клейкером и др. [2]
Рентгеновскую компьютерную томографию можно разделить на две основные категории в зависимости от того, как обрабатываются данные XRD, в частности, данные XRD можно рассматривать либо как данные дифракции порошка , либо как данные дифракции монокристалла , и это зависит от свойств образца. Если образец содержит мелкие и хаотично ориентированные кристаллы, то образуются гладкие порошковые дифракционные при использовании двумерного зонального детектора «кольца». Если образец содержит крупные кристаллы, то он генерирует «пятнистую» двумерную дифракционную картину. Последнее может быть выполнено с использованием также почтового ящика, конуса и параллельного рентгеновского луча и дает 2D или 3D изображения, соответствующие картам кристаллитов или «зерен», присутствующих в образце, и их свойств, таких как напряжение или деформация . [3] Существует несколько вариантов этого подхода, включая 3DXRD , [4] Рентгеновская дифракционно-контрастная томография (ДКТ) [5] и рентгеновская дифракционная микроскопия высоких энергий (HEDM) [6]
Рентгеновская дифракционная компьютерная томография, часто называемая XRD-CT, обычно относится к методу, изобретенному Хардингом и др. [1] который предполагает, что полученные данные представляют собой данные порошковой дифракции . По этой причине ее также называют порошковой дифракционной компьютерной томографией. [7] и компьютерная томография дифракционного рассеяния (ДСКТ), [8] однако они оба относятся к одному и тому же методу.
Сбор данных
[ редактировать ]XRD-CT использует подход сканирования монохроматического карандашного луча и фиксирует дифракционный сигнал в геометрии пропускания, создавая набор данных дифракционной проекции. В этой установке образец движется вдоль оси, перпендикулярной направлению луча. Он освещается монохроматическим тонко коллимированным или сфокусированным «карандашным» рентгеновским лучом. Затем 2D-детектор записывает рассеянные рентгеновские лучи, оптимизируя статистику и скорость подсчета. Обычно размер поступательного сканирования превышает диаметр образца, обеспечивая его полный охват под всеми оцениваемыми углами. Размер шага перемещения обычно соответствует горизонтальному размеру рентгеновского луча. В идеальном сценарии для любого томографического метода сканирования карандашным лучом измеренные углы должны соответствовать числу шагов перемещения, умноженному на π/2, в соответствии с теоремой выборки Найквиста . Однако на практике это число часто можно уменьшить до количества шагов перевода без существенного ухудшения качества реконструированных изображений. Обычный диапазон углов варьируется от 0 до π.
Реконструкция данных
[ редактировать ]В большинстве исследований преобладающим подходом к реконструкции данных является «обратный анализ», предложенный Bleuet et al. [9] где каждая синограмма обрабатывается независимо, в результате чего получается новое КТ-изображение. Чаще всего фильтрованной обратной проекции алгоритм восстановления [10] используется для реконструкции изображений XRD-CT. В результате получается изображение, в котором каждый пиксель, или, точнее, воксел , соответствует локальному дифракционному образцу. Восстановленные данные также можно рассматривать как стопку квадратных 2D-изображений, где каждое изображение соответствует углу рассеяния рентгеновских лучей.
Артефакты реконструкции
[ редактировать ]XRD-CT делает следующие предположения:
- Выборка небольшая, и в полученных дифракционных данных нет значительных артефактов параллакса; когда это предположение неверно, восстановленные диаграммы содержат широкий спектр артефактов, таких как неточное положение пиков, форма пиков и даже искусственное расщепление пиков.
- Полученные данные рентгеноструктурного анализа аналогичны порошковой дифракции и не содержат пятнистых данных.
- Образец не сильно поглощает рентгеновские лучи, и в полученных данных нет значительных проблем самопоглощения.
- Химический состав образца существенно не меняется во время сканирования XRD-CT.
На практике одно или несколько из этих предположений неверны, и данные страдают от артефактов. Существуют стратегии по удалению или значительному устранению всех этих артефактов:
- Вместо использования алгоритма реконструкции обратной проекции с фильтром для восстановления изображений XRD-CT можно использовать другой подход реконструкции, называемый « Прямая реконструкция наименьших квадратов » (DLSR), для одновременного выполнения аппроксимации пиков и томографической реконструкции, которая учитывает геометрию. экспериментальной установки и дает реконструированные изображения без артефактов параллакса. [11] Выполнение XRD-CT сканирования от 0 до 2π вместо сканирования от 0 до π может привести к восстановлению структур с точным положением пика, но не формой пика.
- Неровные данные 2D-рентгенографии, полученные во время сканирования XRD-CT, приводят к появлению полос или линейных артефактов в реконструированных данных XRD-CT; эти артефакты можно удалить или подавить, применяя фильтры во время азимутального интегрирования необработанных двумерных дифрактограмм. [12]
- Данные можно скорректировать с учетом артефактов самопоглощения с помощью рентгеновской абсорбционно-контрастной компьютерной томографии того же образца.
- Если химия твердого тела образца меняется во время сканирования XRD-CT, то можно использовать другие подходы к сбору данных, которые могут улучшить временное разрешение метода, например, чересстрочный подход. [13] [14]
Анализ данных
[ редактировать ]Анализ локальных дифракционных картин может варьироваться от базового последовательного пакетного подбора одного пика до комплексного одноэтапного полнопрофильного анализа, известного как « Ритвельд -КТ» (Wragg et al., 2015). [15] ). Последний метод отличается своей эффективностью по сравнению с типичным последовательным методом, поскольку он использует общие глобальные параметры для всех локальных моделей. Примеры этих параметров включают нулевую ошибку и инструментальное уширение, которые повышают стабильность процесса уточнения. Более подробно: каждый воксел в реструктурированных изображениях состоит из локальной модели (например, многофазных масштабных коэффициентов, параметров решетки и размеров кристаллитов), адаптированной для соответствия соответствующей локальной дифракционной картине. Это означает, что только общие параметры согласованы между локальными моделями. Однако применение Rietveld-CT ограничивается небольшими изображениями, особенно изображениями размером 60 × 60 вокселей, а возможность создания более крупных изображений зависит от доступной памяти компьютера. Однако чаще всего полный профильный анализ локальных дифракционных картин выполняется попиксельно или построчно с использованием традиционных методов анализа данных XRD, таких как LeBail , Pawley и Rietveld . Все эти методы используют аппроксимацию на основе реструктурированных дифракционных картин. Другой подход, который также требует больших вычислительных затрат, - это DLSR, который выполняет реконструкцию томографических данных и подбор пиков за один шаг. [11] Независимо от выбранного аналитического метода конечный результат включает изображения, наполненные локализованной физико-химической информацией. Каждое физико-химическое изображение соответствует уточненным параметрам, присутствующим в локальных моделях, которые могут включать карты, соответствующие масштабным коэффициентам, параметрам решетки и размерам кристаллитов.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хардинг, Г.; Косанецки Дж.; Нейтцель, У. (июль 1987 г.). «Рентгенодифракционная компьютерная томография: Рентгенодифракционная компьютерная томография» . Медицинская физика . 14 (4): 515–525. дои : 10.1118/1.596063 . ПМИД 3626990 .
- ^ Клейкер, У; Суортти, П; Вейрих, В; Спанне, П. (1 октября 1998 г.). «Технико-экономическое обоснование рентгенодифракционной компьютерной томографии для медицинской визуализации» . Физика в медицине и биологии . 43 (10): 2911–2923. Бибкод : 1998PMB....43.2911K . дои : 10.1088/0031-9155/43/10/017 . ISSN 0031-9155 . ПМИД 9814526 . S2CID 250820853 .
- ^ Хаяси, Юджиро; Сетояма, Дайго; Хиросе, Ёсихару; Ёсида, Томоюки; Кимура, Хидехико (20 декабря 2019 г.). «Внутризеренные трехмерные тензорные поля напряжений в пластически деформируемых поликристаллах» . Наука . 366 (6472): 1492–1496. Бибкод : 2019Sci...366.1492H . дои : 10.1126/science.aax9167 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 31857480 . S2CID 209424420 .
- ^ Поульсен, Хеннинг (2004). Трехмерная рентгеновская дифракционная микроскопия . Спрингеровские трактаты в современной физике. Том. 205. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/b97884 . ISBN 978-3-540-22330-6 .
- ^ Людвиг, Вольфганг; Шмидт, Серен; Лауридсен, Эрик Мейдал; Поульсен, Хеннинг Фриис (1 апреля 2008 г.). «Рентгеновская дифракционно-контрастная томография: новый метод трехмерного картирования зерен поликристаллов. I. Случай прямого луча» . Журнал прикладной кристаллографии . 41 (2): 302–309. дои : 10.1107/S0021889808001684 . ISSN 0021-8898 .
- ^ Сутер, Р.М.; Хеннесси, Д.; Сяо, К.; Линерт, У. (01 декабря 2006 г.). «Метод прямого моделирования реконструкции микроструктуры с использованием рентгеновской дифракционной микроскопии: монокристаллическая верификация» . Обзор научных инструментов . 77 (12): 123905–123905–12. Бибкод : 2006RScI...77l3905S . дои : 10.1063/1.2400017 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Кочетов Владислав; Мюльбауэр, Мартин Дж; Шёкель, Александр; Фишер, Торбен; Мюллер, Тимо; Хофманн, Майкл; Старон, Питер; Линерт, Ульрих; Петри, Винфрид; Сенишин, Анатолий (10 марта 2021 г.). «Порошковая дифракционная компьютерная томография: комбинированное синхротронное и нейтронное исследование» . Физический журнал: конденсированное вещество . 33 (10): 105901. Бибкод : 2021JPCM...33j5901K . дои : 10.1088/1361-648X/abcdb0 . ISSN 0953-8984 . ПМИД 33237884 . S2CID 227176156 .
- ^ Биркбак, Мэн; Лемрайз, Х.; Фрёлих, С.; Сток, СР; Биркедал, Х. (2015). «Компьютерная томография дифракционного рассеяния: окно в структуру сложных наноматериалов» . Наномасштаб . 7 (44): 18402–18410. Бибкод : 2015Nanos...718402B . дои : 10.1039/C5NR04385A . ISSN 2040-3364 . ПМЦ 4727839 . ПМИД 26505175 .
- ^ Блюэ, Пьер; Добро пожаловать, Элеонора; Дурихи, Эрик; Сузини, Жан; Ходо, Жан-Луи; Уолтер, Филипп (июнь 2008 г.). «Исследование структуры гетерогенных разбавленных материалов методом дифракционной томографии» . Природные материалы . 7 (6): 468–472. Бибкод : 2008NatMa...7..468B . дои : 10.1038/nmat2168 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 18425135 .
- ^ Брейсуэлл, Р.Н.; Риддл, AC (ноябрь 1967 г.). «Инверсия сканирований веерного луча в радиоастрономии» . Астрофизический журнал . 150 : 427. Бибкод : 1967ApJ...150..427B . дои : 10.1086/149346 . ISSN 0004-637X .
- ^ Jump up to: а б Вамвакерос, А.; Коэльо, А.А.; Матрас, Д.; Донг, Х.; Одарченко Ю.; Цена, SWT; Батлер, КТ; Гутовски, О.; Диппель, А.-К.; Циммерманн, М.; Мартенс, И.; Дрнек, Дж.; Бил, AM; Жак, СДМ (01 декабря 2020 г.). «DLSR: решение проблемы артефакта параллакса в данных рентгеновской дифракционной компьютерной томографии» . Журнал прикладной кристаллографии . 53 (6): 1531–1541. дои : 10.1107/S1600576720013576 . ISSN 1600-5767 . S2CID 229431294 .
- ^ Вамвакерос, А.; Жак, СДМ; Ди Мишель, М.; Мидделькооп, В.; Иган, СК; Черник, Р.Дж.; Бил, AM (1 декабря 2015 г.). «Удаление множественных выбросов и монокристаллических артефактов из данных рентгеновской компьютерной томографии» . Журнал прикладной кристаллографии . 48 (6): 1943–1955. дои : 10.1107/S1600576715020701 . ISSN 1600-5767 .
- ^ Кестнер, Андерс П.; Мунк, Бит; Тртик, Павел (декабрь 2011 г.). «Пространственно-временная компьютерная томография динамических процессов» . Оптическая инженерия . 50 (12): 123201–123201–9. Бибкод : 2011OptEn..50l3201K . дои : 10.1117/1.3660298 . ISSN 0091-3286 . S2CID 121903995 .
- ^ Вамвакерос, А.; Жак, СДМ; Ди Мишель, М.; Сенекаль, П.; Мидделькооп, В.; Черник, Р.Дж.; Бил, AM (01 апреля 2016 г.). «Чересстрочная рентгеновская дифракционная компьютерная томография» . Журнал прикладной кристаллографии . 49 (2): 485–496. дои : 10.1107/S160057671600131X . ISSN 1600-5767 . ПМЦ 4815873 . ПМИД 27047305 .
- ^ Рэгг, Д.С.; О'Брайен, Миннесота; Ди Мишель, М.; Лёнстад-Блекен, Ф. (01 декабря 2015 г.). «Анализ Ритвельда компьютерной томографии и его применение к слоям реактора от метанола до олефинов» . Журнал прикладной кристаллографии . 48 (6): 1719–1728. дои : 10.1107/S1600576715017288 . hdl : 10852/47665 . ISSN 1600-5767 .