用于生命科学领域的X射线成像应用

从矿化组织样品中获得更多洞察

纳米级多尺度骨骼信息采集

在骨骼研究中,X射线成像对于样品表征和骨骼形态测量具有极高的价值。MicroCT(µCT)是一种常见的X射线技术,用于无损生成三维数据集。与其他显微镜成像方法不同,X射线成像可用于完整样品,无需切割或切片。

骨骼形态测量

小梁骨被图像分割的小鼠长骨。成像:蔡司Xradia Versa;图像分割和动画:ORS Dragonfly Pro骨骼分析模块。样品由德州州立大学圣马科斯分校的Daniel Wescott提供。

轻松量化骨骼微结构

使用X射线成像可以深入了解骨骼结构和状况,例如小梁厚度、BV/TV或皮质骨与小梁骨比例等参数是需要研究的重要测量指标。从µCT数据集计算得出的骨骼形态测量数据的一致性和可重复性建立在使用标准程序进行样品制备、图像采集和图像处理1的基础上。蔡司Xradia系列X射线设备提供高衬度成像能力,可方便快捷地执行这些标准采集。

对小鼠长骨进行图像分割和分析,以生成一些标准可量化的骨骼测量值
对小鼠长骨进行图像分割和分析,以生成一些标准可量化的骨骼测量值 样品由德州州立大学圣马科斯分校的Daniel Wescott提供。
样品由德州州立大学圣马科斯分校的Daniel Wescott提供。

对小鼠长骨进行图像分割和分析,以生成一些标准可量化的骨骼测量值。成像:蔡司Xradia Versa;图像分割、分析和报告:ORS Dragonfly Pro骨骼分析模块。 

对小鼠长骨进行图像分割和分析,以生成一些标准可量化的骨骼测量值。成像:蔡司Xradia Versa;图像分割、分析和报告:ORS Dragonfly Pro骨骼分析模块。 样品由德州州立大学圣马科斯分校的Daniel Wescott提供。

采集宝贵、准确的骨骼形态测量数据

蔡司Xradia Context µCT非常适合研究从毫米到厘米大小的样品,能够提供出色的图像质量和衬度。蔡司Xradia Versa X射线显微镜通过两级放大倍率提供分辨率更高的样品细节,即使对较大样品也可实现成像,在骨骼研究界引发了巨大反响2。将这些工具中的任何一种与Dragonfly Pro骨骼分析模块3 相结合,可为评估和量化骨微结构提供强大而稳健的解决方案。

评估骨骼的质量和力学特性

熊下颚,使用蔡司Xradia Versa以多个放大倍率成像,最终探索到颚齿界面。

微米至纳米级结构分析

骨骼的多尺度数据采集能够从不同长度尺度提供有关骨骼结构的丰富信息。蔡司Xradia Versa X射线显微镜配备多个物镜,能够在不同的长度尺度上表征骨骼,从而揭示层次结构的细节2

成年斑马鱼,以两种分辨率成像,高分辨率显示完整鱼样品中的骨细胞陷窝。数据集使用蔡司Xradia Versa采集。动画由S. Suniaga等人提供(2018)4

使用骨细胞陷窝评估骨骼健康状况和结构

骨细胞陷窝的位置、方向和体积可以使用高分辨率X射线显微镜数据4进行量化。由于分辨率和衬度的限制,使用传统µCT可能很难获得这些细节信息5

使用原位XRM、X射线CT和DVC比较小梁骨和镁基生物材料。由朴茨茅斯大学机械与设计工程学院未来技术中心蔡司全球实验室的Roxane Bonithon博士提供。

原位测量骨骼组织中的应变分布

了解应变分布对于进一步研究骨骼结构与功能之间的关系至关重要。无论是骨骼组织或生物材料结构的变化对其力学特性的影响,还是骨骼、关节或周围组织内的载荷传递,都可以进行评估。原位成像是执行此类四维评估的一种有效方法,它可使用Xradia Versa XRM在原位钻机内对样品进行高分辨率成像,然后根据需要在重复此程序之前进行压缩。之后,可以使用数字体积相关(DVC)5技术来评估每个样品的三维全场应变分布和幅度。

提高骨骼三维分析通量

小鼠皮质骨,使用蔡司Xradia Versa成像,通过带有3001张投影的FDK进行重构
小鼠皮质骨,使用蔡司Xradia Versa成像,通过带有751张投影的DeepRecon进行重构
小鼠皮质骨,使用蔡司Xradia Versa成像,通过带有3001张投影的FDK(左)和751张投影的DeepRecon(右)进行重构。样品由美国加州大学戴维斯分校的D. Rowland提供

通过深度学习重构减少噪点并同时缩短采集时间

在对骨骼微观结构进行三维X射线评估时,需要大量数据点以实现可重复性和稳定性。大多数市售三维X射线系统使用Feldkamp-Davis-Kress(FDK)算法,该算法可生成高质量图像,但需要相对较多的投影和/或较长的曝光时间才能减少噪点和伪影。蔡司深度学习重构(DeepRecon)需要的二维投影图像更少,从而缩短了数据采集时间,并可将µCT通量提高至10倍。

DeepRecon无需任何额外X射线束线硬件即可显著提高三维肌肉骨骼分析的通量,此外还能降低噪点以揭示结构细节和灰度上的细微差异。

成像应用

朴茨茅斯大学未来技术中心

  • 了解蔡司Xradia Versa X射线显微镜如何研究生物组织的微观结构,以及如何从宏观到纳米尺度对骨骼和生物材料进行原位比较和相互作用测试。


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