Многомасштабный X

Научные данные, том 9, Номер статьи: 264 (2022) Цитировать эту статью

1440 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Технологические достижения в рентгеновской визуализации с использованием ярких и когерентных синхротронных источников теперь позволяют разделить размер образца и разрешение, сохраняя при этом высокую чувствительность к микроструктурам мягких, частично обезвоженных тканей. Непрерывное развитие многомасштабной рентгеновской визуализации привело к созданию иерархической фазово-контрастной томографии, комплексного подхода к решению проблемы визуализации мягких тканей в масштабе органа (до десятков сантиметров) с разрешением и чувствительностью вплоть до клеточного уровня. Используя этот метод, мы получили изображение ex vivo всего левого легкого человека с изотропным размером вокселя 25,08 мкм, а также с локальным увеличением размера вокселя до 6,05–6,5 мкм и 2,45–2,5 мкм. Высокий контраст тканей, обеспечиваемый синхротронным источником четвертого поколения в Европейской установке синхротронного излучения, раскрывает сложную многомасштабную анатомическую структуру легких человека от макроскопического (сантиметрового) до микроскопического (микрометрового) масштаба. Набор данных предоставляет исчерпывающую трехмерную информацию о вторичных легочных дольках в масштабе органа и описывает микроструктуру легочных узелков с беспрецедентной детализацией.

Измерение(я)

Левое легкое человека

Тип(ы) технологии

Рентгеновская фазово-контрастная визуализация

Легкие человека являются одними из крупнейших твердых органов человеческого тела. Традиционно исследования микроанатомии легких в масштабе органа требуют длительных операций по целевому отбору проб, подготовке тканей, гистологическому окрашиванию и изготовлению срезов1,2. В настоящее время клинические оценки микроструктур всего легкого ex vivo проводятся без секционирования с использованием абсорбционно-контрастной микроКТ с размером вокселей около 100 мкм. Затем можно выбрать ограниченную область легкого для визуализации с более высоким разрешением с использованием гистологии3,4,5. Рентгеновская фазово-контрастная визуализация6,7 обеспечивает более высокую чувствительность и контрастность, чем лабораторная микроКТ8. По сравнению с оптической виртуальной гистологией9, фазовый контраст рентгеновских лучей при распространении в свободном пространстве не требует оптической визуализации и в то же время устраняет необходимость в трудоемкой очистке тканей и флуоресцентной маркировке, которые необходимы для оптической визуализации10. Совместимость рентгеновской фазово-контрастной визуализации с существующими источниками рентгеновского излучения будет способствовать ее постепенному внедрению и переходу от доклинических исследований к клинической диагностике6,11,12. На синхротронных установках систематические обновления13,14 источников рентгеновского излучения и методов визуализации за последние десятилетия предоставляют средства для решения биологических вопросов в значимых масштабах и разрешении11,15,16,17,18,19,20. Хотя рентгеновская визуализация на основе синхротрона позволяет получить более мелкие анатомические детали, чем лабораторная микроКТ19,21,22,23, многие сценарии биовизуализации требуют дальнейшего увеличения производительности визуализации и размещения образцов большого размера при сохранении микроскопического разрешения24,25.

Благодаря высокому потоку рентгеновских фотонов и пространственной когерентности, достигнутым в современных синхротронных источниках четвертого поколения, а также тщательному проектированию протокола подготовки проб и визуализации, теперь можно получать изображения целых, крупных, частично обезвоженных органов человека целиком на микрометре. разрешение с использованием иерархической фазово-контрастной томографии (HiP-CT)26. Этот метод объединяет рабочий процесс многомасштабной визуализации4,27,28,29,30 в единую установку, используя фазовый контраст распространения, полученный из высокоэнергетических полихроматических рентгеновских лучей и настраиваемые настройки обнаружения. Таким образом, сканирование всего человеческого органа (размером 5–30 см в каждом измерении) с несколькими разрешениями может быть выполнено без рассечения образца или необходимости его транспортировки в разные места или учреждения с инструментами27,28,30. HiP-CT имеет настраиваемую коррекцию плоского поля, протокол сканирования с ослаблением, а также эффективный томографический процесс отбора проб и сшивания, позволяющий полностью покрыть большие органы мягких тканей без окрашивания27,31 или очистки10. Интегрированный одномодальный многомасштабный подход к визуализации HiP-CT26 обеспечивает упрощенную процедуру регистрации изображений благодаря постоянному контрасту тканей на всех уровнях длины. Его протокол визуализации основан на существующих многомасштабных подходах4,18,19,29, начиная с двухэтапной томографической выборки всего органа (полная томография) с последующим постепенным увеличением отдельных особенностей микроанатомии посредством локальной томографии. в различных более тонких разрешениях, совместимых с соответствующим анатомическим контекстом. HiP-CT требует, чтобы образец, такой как орган мягких тканей, был помещен в 70% раствор этанола в воде и иммобилизован с помощью агаровых блоков во время визуализации (см. Рис. 1a,b). Коррекция плоского поля берет эталон из отдельного контейнера (эталонной банки) того же размера, что и банка с образцом, для усиления контраста мягких тканей (см. рис. 1c). Здесь мы предоставляем набор данных неповрежденного левого легкого человека, полученного с помощью HiP-CT с размером вокселя 25,08 мкм (полный орган, см. рис. 1d) и с размерами вокселей 6,05–6,5 мкм и 2,45–2,5 мкм для различных представляющих интерес локальных объемов ( VOI) достигается за счет оптимизации спектра падающего рентгеновского излучения, расстояния распространения, толщины сцинтиллятора и соединительной оптики перед детектором (см. «Методы»). Эксперименты по рентгеновской визуализации проводились на канале BM05 Европейской лаборатории синхротронного излучения (ESRF) с использованием недавно модернизированного источника чрезвычайно яркого рентгеновского излучения четвертого поколения (ESRF-EBS)32,33.