訪談 | 淺談動(dòng)態(tài)Micro CT的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用

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發(fā)表時(shí)間：2020-07-29 14:06

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以下為材料科學(xué)界的知名網(wǎng)站AZoNetwork對(duì)TESCAN Micro-CT 產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Arno Merkle博士的專訪內(nèi)容。

◆ Micro-CT是材料成像領(lǐng)域中最令人興奮的表征手段之一，您能介紹一下它的工作原理和原因嗎？

Micro-CT利用X射線照射在進(jìn)行360°勻速旋轉(zhuǎn)的樣品，獲取二維的投影圖像。通過(guò)對(duì)這些二維圖像進(jìn)行大量的計(jì)算和重構(gòu)，生成樣品的數(shù)字三維結(jié)構(gòu)。Micro-CT和醫(yī)用CT的基本原理是相同的，但是Micro-CT能夠提供更高的分辨率。Micro-CT技術(shù)之所以在材料研究中如此重要，部分原因是其分析方式對(duì)樣品是無(wú)損的——無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行加工或切割，人們就能夠三維可視化的分析樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；還有一部分原因是，除了對(duì)“靜態(tài)”的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解之外，該技術(shù)可以對(duì)樣品實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”成像——也就是隨時(shí)間變化（可以稱之為“4D”）成像，研究人員可以了解隨時(shí)間的變化樣品內(nèi)部的變化過(guò)程。

◆ TESCAN Micro-CT專業(yè)從事動(dòng)態(tài)或4D Micro-CT。什么是動(dòng)態(tài)CT，與傳統(tǒng)的Micro-CT相比有什么優(yōu)勢(shì)？

在時(shí)間分辨領(lǐng)域，Micro-CT成像技術(shù)一直在發(fā)展，經(jīng)歷了靜態(tài)、延時(shí)成像、“4D”成像等。這些技術(shù)試圖對(duì)樣品在一段時(shí)間內(nèi)的變化進(jìn)行成像，無(wú)論是間斷的還是連續(xù)的過(guò)程，時(shí)間范圍可以是數(shù)秒、數(shù)分鐘、數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天或數(shù)周。

“動(dòng)態(tài)”CT是時(shí)間分辨X射線成像最高級(jí)別的應(yīng)用，要求能夠追蹤樣品的變化，并需要不斷對(duì)其進(jìn)行成像。我們可以將“延時(shí)成像”看作是定格動(dòng)畫(huà)，圖像有間斷，是不連續(xù)的，而“動(dòng)態(tài)成像”是平滑的運(yùn)動(dòng)圖像。動(dòng)態(tài)CT的優(yōu)勢(shì)在于能夠進(jìn)行真實(shí)的、不間斷的原位實(shí)驗(yàn)。

視頻1：延時(shí)成像

視頻2：動(dòng)態(tài)成像

到目前為止，大多數(shù)基于實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的4D研究?jī)H使用間斷的“延時(shí)”方法進(jìn)行，而速度更快、不間斷的動(dòng)態(tài)CT一般需要用到同步加速器才能實(shí)現(xiàn)。

TESCAN致力于為實(shí)驗(yàn)室提供動(dòng)態(tài)CT分析能力，我們開(kāi)發(fā)了新的硬件和軟件，可以更輕松地促進(jìn)此類與時(shí)間相關(guān)的研究，從而擴(kuò)大了可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的范圍。

我們最近發(fā)表了一篇論文《Innovations in laboratory‐based dynamic micro‐CT to accelerate in situ research》，DEWANCKELE，J.（2020年），Journal of Microscopy，277:197209.doi:10.1111/jmi.12879），重點(diǎn)介紹了動(dòng)態(tài)CT的方法，感興趣的讀者可以查看。

◆ 新系統(tǒng)的哪些功能保證了可以進(jìn)行這些動(dòng)態(tài)或延時(shí)研究？

為了優(yōu)化“動(dòng)態(tài)”CT的工作流程，需要大量的開(kāi)發(fā)工作，包括硬件、軟件，還有應(yīng)用程序工作流程，并需要將它們?nèi)跒橐惑w。在硬件方面，優(yōu)先考慮提升數(shù)據(jù)通量，為此就需要開(kāi)發(fā)高功率X射線源和高效的檢測(cè)器。此外，必須實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、不停頓的360°連續(xù)掃描功能——我們開(kāi)發(fā)了兩種方案，一種是集成電源、數(shù)據(jù)接口的專用旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)；另一種是獨(dú)特的DynaTOM，我們開(kāi)發(fā)了類似于龍門(mén)架結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)樣品固定不動(dòng)，X-射線源和檢測(cè)器圍繞樣品旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)可以讓研究人員不必再擔(dān)心電纜、流體管線或傳感器的在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)纏結(jié)或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性過(guò)高，專心原位實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而通常這些問(wèn)題是傳統(tǒng)原位實(shí)驗(yàn)的主要障礙。

視頻3：原位觀察啤酒泡沫

硬件部分僅僅是實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”CT的一部分，我們還在軟件和應(yīng)用程序工作流程方面的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了多種嘗試，主要集中在對(duì)掃描系統(tǒng)的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)能夠連續(xù)采集、重建，并讓用戶可以更便捷、更直觀地完成可視化處理。而且，為了能夠應(yīng)對(duì)最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在各方面我們都保留了高度的靈活性。我們?cè)趧?dòng)態(tài)影像應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域擁有多年豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以為我們的客戶提供世界一流的培訓(xùn)和咨詢團(tuán)隊(duì)。

◆ 針對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，這是否意味著不得不犧牲空間分辨率？

在速度、信噪比和分辨率方面始終存在取舍——每個(gè)測(cè)量或成像系統(tǒng)都是如此。在專注于優(yōu)化動(dòng)態(tài)CT的能力的同時(shí)，我們?cè)谶@些需求之間取得了很好的平衡。市場(chǎng)上有一些CT具有更高的空間分辨率，但是它們是用于滿足不同的需求的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)CT所需的高速、高保真度的采集。我們認(rèn)為所有這些CT之間彼此是高度互補(bǔ)的，就像SEM、FIB-SEM和TEM在電子顯微鏡領(lǐng)域中相互補(bǔ)充一樣。

◆ 在材料科學(xué)中動(dòng)態(tài)CT有許多很好的潛在應(yīng)用，您能舉一些例子嗎？

原位實(shí)驗(yàn)的類型確實(shí)是無(wú)窮無(wú)盡的，在過(guò)去的幾年中，我們?cè)诓牧峡茖W(xué)的許多應(yīng)用中都看到了動(dòng)態(tài)CT的應(yīng)用需求。例如，結(jié)構(gòu)材料（例如金屬、3D打印的零件或復(fù)合材料）的機(jī)械性能研究領(lǐng)域就是一個(gè)明顯的例子，我們需要通過(guò)成像和分析研究載荷下的故障與裂紋、空隙，以及其它缺陷的相關(guān)性。在這里，我們需要樣品在壓縮、彎曲或拉伸狀態(tài)下成像，并嘗試將變形事件與力-位移測(cè)量值相關(guān)聯(lián)。在破壞或變形的時(shí)候，我們會(huì)使用Micro-CT或其它技術(shù)（例如SEM或等離子體FIB-SEM）對(duì)感興趣位置進(jìn)行深入研究，這樣能夠更精細(xì)地觀測(cè)微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的變化。

其它應(yīng)用領(lǐng)域：包括研究多孔和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形，例如泡沫金屬或聚合物；食品科學(xué)中例如面包在烘烤中的空隙變化或啤酒泡沫的塌陷；包括消費(fèi)品在內(nèi)的各種材料中的水合、過(guò)濾或吸收過(guò)程；電池的腐蝕和充電循環(huán)代表了另外兩個(gè)非常普遍的應(yīng)用，盡管時(shí)間跨度會(huì)稍長(zhǎng)。最近，我們致力于研究液體中的顆粒懸浮液并探索相關(guān)的流動(dòng)行為。

最重要的是，我們的動(dòng)態(tài)CT有能力適應(yīng)各種感興趣的時(shí)間范圍，從最快的時(shí)間分辨率小于10秒的快速反應(yīng)過(guò)程，一直到間斷的、延時(shí)的緩慢移動(dòng)的過(guò)程——其實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能需要持續(xù)幾周或幾個(gè)月。

◆ 地球科學(xué)是從該技術(shù)中受益的其中一門(mén)學(xué)科，您能提供一些他們感興趣的應(yīng)用示例嗎？

無(wú)論是在環(huán)境地質(zhì)，工程地質(zhì)，自然資源，石油工程還是地球動(dòng)力學(xué)等子領(lǐng)域，我們都遇到了許多利用動(dòng)態(tài)CT的有趣應(yīng)用案例。例如，巖石在壓縮載荷下的斷裂動(dòng)力學(xué)，多孔巖石中的兩相和三相流，沉積物中的壓實(shí)以及礦化/溶解過(guò)程，最令人興奮的是能夠可視化和分析不穩(wěn)定多相流中的變化。在不使用動(dòng)態(tài)CT的情況下，研究人員只能對(duì)處于平衡狀態(tài)的液體進(jìn)行成像。換句話說(shuō)，當(dāng)不同的液體最初相互交互時(shí)，他們實(shí)際上只能看到交互的后果，而不會(huì)看這種交互的過(guò)程中到底發(fā)生了什么。

◆ 在被TESCAN收購(gòu)之前，XRE NV已經(jīng)積累了多年的顯微CT成像專業(yè)知識(shí)，構(gòu)建了定制化的系統(tǒng)。您能否與我們介紹一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)，并分享這些設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值？

我們開(kāi)發(fā)的最受認(rèn)可的系統(tǒng)是DynaTOM，核心是獨(dú)特的基于龍門(mén)架結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。它是一個(gè)完全創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，能夠完全避免樣品的旋轉(zhuǎn)，并且優(yōu)化了采集時(shí)間（低至<10秒）并保持足夠的空間分辨率，從而滿足原位實(shí)驗(yàn)的需求。除了DynaTOM 的獨(dú)特設(shè)計(jì)之外，我們所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都針對(duì)原位應(yīng)用的特殊性進(jìn)行優(yōu)化，并考慮原位環(huán)境干擾下的穩(wěn)定性和應(yīng)用的靈活性，其中包括高精度和高自由度的工作臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)能夠?qū)θ我鈳缀涡螤畛叽绲臉悠愤M(jìn)行檢測(cè)。我們還構(gòu)建了擴(kuò)展系統(tǒng)，滿足與第三方設(shè)備進(jìn)行通信和適應(yīng)的需求，其中包括了各類原位設(shè)備和檢測(cè)器。在操作性方面，高級(jí)用戶可以通過(guò)我們的采集軟件獲得Micro-CT系統(tǒng)及外設(shè)的原位設(shè)備的控制權(quán)——這樣就提供了幾乎無(wú)限的可拓展性。而對(duì)非專家用戶而言，友好、易操作則是他們更需要的，我們很好的平衡了這一點(diǎn)。

◆ 從操作和分析的角度來(lái)看，用戶界面和軟件需要將海量數(shù)據(jù)集整合在一起，這至關(guān)重要。您的軟件有哪些功能？它的靈活性如何？

我們的軟件平臺(tái)可完全控制我們的顯微CT系統(tǒng)進(jìn)行3D和4D數(shù)據(jù)集的采集，實(shí)現(xiàn)重建和基本可視化。我們認(rèn)為良好的用戶體驗(yàn)是能夠在同一個(gè)公共環(huán)境中體驗(yàn)3D和4D工作流程，并且能夠?qū)⒉杉⒅亟ê涂梢暬ぷ饔行У剡B接起來(lái)。例如，我們能夠進(jìn)行快速調(diào)查采集、快速重建和可視化，然后（通過(guò)視覺(jué)）尋找、識(shí)別感興趣的子體積——以便以更高的分辨率或更多的細(xì)節(jié)進(jìn)行后續(xù)掃描。一旦標(biāo)記了這些區(qū)域，軟件便可以將坐標(biāo)發(fā)送回我們的采集界面，并以高度集成的方式在所需區(qū)域進(jìn)行無(wú)縫采集。我們稱此方法為“感興趣掃描體積”，即“VOIS”（Volume Of Interest Scanning），并且我們已經(jīng)以最直觀的方式構(gòu)建了此方法，這是其它商業(yè)解決方案無(wú)法比擬的。我們還提供了一些工具，可輕松設(shè)置復(fù)雜的動(dòng)態(tài)采集，處理動(dòng)態(tài)CT數(shù)據(jù)集并以直觀的方式可視化。

◆ 目前同步加速器是唯一能進(jìn)行您定義的動(dòng)態(tài)CT實(shí)驗(yàn)的解決方案。鑒于使用這些設(shè)施可能很困難，您是否將您的系統(tǒng)視為它的有效篩選工具？

同步加速器提供了驚人的功能，并在許多領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)可以完成的范疇。但是，由于使用這些設(shè)施受到限制，研究人員通常一年只能訪問(wèn)1到2次。我們堅(jiān)信，研究人員通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中使用動(dòng)態(tài)CT進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)工作流程，更好的發(fā)揮同步加速器的寶貴機(jī)時(shí)。我們預(yù)計(jì)在未來(lái)，實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)和同步加速器之間的這種共生關(guān)系會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。

◆ 您還進(jìn)行了很多的“科普性”研究，這些研究有效地展示了動(dòng)態(tài)CT的適用性。您能和我們聊聊這些嗎？

一些“科普性”研究由于其學(xué)科的相關(guān)性而受到了一些關(guān)注。事實(shí)上，在這些領(lǐng)域的背后都有強(qiáng)大的科學(xué)基礎(chǔ)和群體。

例如，在植物科學(xué)中，我們研究了水芹種子的早期萌發(fā)過(guò)程，如下面的視頻鏈接所示。土壤中自由基的出現(xiàn)，以及葉子的發(fā)芽，只是觸及了我們希望在植物科學(xué)中探索的表面:

視頻4：Dynamic imaging of germinating seeds

在炎熱的夏天，幾乎每個(gè)人都喜歡吃一份美味的卷筒冰淇淋。本著這種精神，我們?cè)贒ynaTOM里放入了一個(gè)正在融化的卷筒冰淇淋進(jìn)行研究，在那里可以很容易地看到其變化過(guò)程。這只是我們?cè)谑称房茖W(xué)中探索的眾多例子中的一個(gè)，在這些例子中，質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的變化對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和消費(fèi)者的口味體驗(yàn)有直接的影響。