访谈 | 浅谈动态Micro CT的优势和应用

以下为材料科学界的知名网站AZoNetwork对TESCAN Micro-CT 产品市场总监Arno Merkle博士的专访内容。

◆ Micro-CT是材料成像领域中最令人兴奋的表征手段之一，您能介绍一下它的工作原理和原因吗？

Micro-CT利用X射线照射在进行360°匀速旋转的样品，获取二维的投影图像。通过对这些二维图像进行大量的计算和重构，生成样品的数字三维结构。Micro-CT和医用CT的基本原理是相同的，但是Micro-CT能够提供更高的分辨率。Micro-CT技术之所以在材料研究中如此重要，部分原因是其分析方式对样品是无损的——无需对样品进行加工或切割，人们就能够三维可视化的分析样品的内部结构；还有一部分原因是，除了对“静态”的样品内部结构进行了解之外，该技术可以对样品实现“动态”成像——也就是随时间变化（可以称之为“4D”）成像，研究人员可以了解随时间的变化样品内部的变化过程。

◆ TESCAN Micro-CT专业从事动态或4D Micro-CT。什么是动态CT，与传统的Micro-CT相比有什么优势？

在时间分辨领域，Micro-CT成像技术一直在发展，经历了静态、延时成像、“4D”成像等。这些技术试图对样品在一段时间内的变化进行成像，无论是间断的还是连续的过程，时间范围可以是数秒、数分钟、数小时甚至数天或数周。

“动态”CT是时间分辨X射线成像最高级别的应用，要求能够追踪样品的变化，并需要不断对其进行成像。我们可以将“延时成像”看作是定格动画，图像有间断，是不连续的，而“动态成像”是平滑的运动图像。动态CT的优势在于能够进行真实的、不间断的原位实验。

到目前为止，大多数基于实验室系统的4D研究仅使用间断的“延时”方法进行，而速度更快、不间断的动态CT一般需要用到同步加速器才能实现。

TESCAN致力于为实验室提供动态CT分析能力，我们开发了新的硬件和软件，可以更轻松地促进此类与时间相关的研究，从而扩大了可以在实验室中进行的动态实验的范围。 

我们最近发表了一篇论文《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），重点介绍了动态CT的方法，感兴趣的读者可以查看。

◆ 新系统的哪些功能保证了可以进行这些动态或延时研究？

为了优化“动态”CT的工作流程，需要大量的开发工作，包括硬件、软件，还有应用程序工作流程，并需要将它们融为一体。在硬件方面，优先考虑提升数据通量，为此就需要开发高功率X射线源和高效的检测器。此外，必须实现连续的、不停顿的360°连续扫描功能——我们开发了两种方案，一种是集成电源、数据接口的专用旋转样品台；另一种是独特的DynaTOM，我们开发了类似于龙门架结构的成像系统，实现样品固定不动，X-射线源和检测器围绕样品旋转。这种结构可以让研究人员不必再担心电缆、流体管线或传感器的在实验过程中出现缠结或实验系统的复杂性过高，专心原位实验设计，而通常这些问题是传统原位实验的主要障碍。

硬件部分仅仅是实现“动态”CT的一部分，我们还在软件和应用程序工作流程方面的开发进行了多种尝试，主要集中在对扫描系统的优化以实现能够连续采集、重建，并让用户可以更便捷、更直观地完成可视化处理。而且，为了能够应对最复杂的实验，在各方面我们都保留了高度的灵活性。我们在动态影像应用开发领域拥有多年丰富的应用经验，可以为我们的客户提供世界一流的培训和咨询团队。

◆ 针对系统的动态性能进行优化，这是否意味着不得不牺牲空间分辨率？

在速度、信噪比和分辨率方面始终存在取舍——每个测量或成像系统都是如此。在专注于优化动态CT的能力的同时，我们在这些需求之间取得了很好的平衡。市场上有一些CT具有更高的空间分辨率，但是它们是用于满足不同的需求的，无法实现动态CT所需的高速、高保真度的采集。我们认为所有这些CT之间彼此是高度互补的，就像SEM、FIB-SEM和TEM在电子显微镜领域中相互补充一样。

◆ 在材料科学中动态CT有许多很好的潜在应用，您能举一些例子吗？

原位实验的类型确实是无穷无尽的，在过去的几年中，我们在材料科学的许多应用中都看到了动态CT的应用需求。例如，结构材料（例如金属、3D打印的零件或复合材料）的机械性能研究领域就是一个明显的例子，我们需要通过成像和分析研究载荷下的故障与裂纹、空隙，以及其它缺陷的相关性。在这里，我们需要样品在压缩、弯曲或拉伸状态下成像，并尝试将变形事件与力-位移测量值相关联。在破坏或变形的时候，我们会使用Micro-CT或其它技术（例如SEM或等离子体FIB-SEM）对感兴趣位置进行深入研究，这样能够更精细地观测微观结构细节的变化。

其它应用领域：包括研究多孔和轻质结构的变形，例如泡沫金属或聚合物；食品科学中例如面包在烘烤中的空隙变化或啤酒泡沫的塌陷；包括消费品在内的各种材料中的水合、过滤或吸收过程；电池的腐蚀和充电循环代表了另外两个非常普遍的应用，尽管时间跨度会稍长。最近，我们致力于研究液体中的颗粒悬浮液并探索相关的流动行为。

最重要的是，我们的动态CT有能力适应各种感兴趣的时间范围，从最快的时间分辨率小于10秒的快速反应过程，一直到间断的、延时的缓慢移动的过程——其实验时间可能需要持续几周或几个月。

◆ 地球科学是从该技术中受益的其中一门学科，您能提供一些他们感兴趣的应用示例吗？

无论是在环境地质，工程地质，自然资源，石油工程还是地球动力学等子领域，我们都遇到了许多利用动态CT的有趣应用案例。例如，岩石在压缩载荷下的断裂动力学，多孔岩石中的两相和三相流，沉积物中的压实以及矿化/溶解过程，最令人兴奋的是能够可视化和分析不稳定多相流中的变化。在不使用动态CT的情况下，研究人员只能对处于平衡状态的液体进行成像。换句话说，当不同的液体最初相互交互时，他们实际上只能看到交互的后果，而不会看这种交互的过程中到底发生了什么。

◆ 在被TESCAN收购之前，XRE NV已经积累了多年的显微CT成像专业知识，构建了定制化的系统。您能否与我们介绍一些独特的设计，并分享这些设计的实际应用价值？

我们开发的最受认可的系统是DynaTOM，核心是独特的基于龙门架结构的旋转系统。它是一个完全创新的设计，能够完全避免样品的旋转，并且优化了采集时间（低至<10秒）并保持足够的空间分辨率，从而满足原位实验的需求。除了DynaTOM 的独特设计之外，我们所有系统的设计都针对原位应用的特殊性进行优化，并考虑原位环境干扰下的稳定性和应用的灵活性，其中包括高精度和高自由度的工作台，从而实现能够对任意几何形状尺寸的样品进行检测。我们还构建了扩展系统，满足与第三方设备进行通信和适应的需求，其中包括了各类原位设备和检测器。在操作性方面，高级用户可以通过我们的采集软件获得Micro-CT系统及外设的原位设备的控制权——这样就提供了几乎无限的可拓展性。而对非专家用户而言，友好、易操作则是他们更需要的，我们很好的平衡了这一点。

◆ 从操作和分析的角度来看，用户界面和软件需要将海量数据集整合在一起，这至关重要。您的软件有哪些功能？它的灵活性如何？

我们的软件平台可完全控制我们的显微CT系统进行3D和4D数据集的采集，实现重建和基本可视化。我们认为良好的用户体验是能够在同一个公共环境中体验3D和4D工作流程，并且能够将采集、重建和可视化工作有效地连接起来。例如，我们能够进行快速调查采集、快速重建和可视化，然后（通过视觉）寻找、识别感兴趣的子体积——以便以更高的分辨率或更多的细节进行后续扫描。一旦标记了这些区域，软件便可以将坐标发送回我们的采集界面，并以高度集成的方式在所需区域进行无缝采集。我们称此方法为“感兴趣扫描体积”，即“VOIS”（Volume Of Interest Scanning），并且我们已经以最直观的方式构建了此方法，这是其它商业解决方案无法比拟的。我们还提供了一些工具，可轻松设置复杂的动态采集，处理动态CT数据集并以直观的方式可视化。

◆ 目前同步加速器是唯一能进行您定义的动态CT实验的解决方案。鉴于使用这些设施可能很困难，您是否将您的系统视为它的有效筛选工具？

同步加速器提供了惊人的功能，并在许多领域远远超出了实验室系统可以完成的范畴。但是，由于使用这些设施受到限制，研究人员通常一年只能访问1到2次。我们坚信，研究人员通过在实验室中使用动态CT进行类似实验，可以优化实验工作流程，更好的发挥同步加速器的宝贵机时。我们预计在未来，实验室系统和同步加速器之间的这种共生关系会进一步增长。

◆ 您还进行了很多的“科普性”研究，这些研究有效地展示了动态CT的适用性。您能和我们聊聊这些吗？

一些“科普性”研究由于其学科的相关性而受到了一些关注。事实上，在这些领域的背后都有强大的科学基础和群体。

例如，在植物科学中，我们研究了水芹种子的早期萌发过程，如下面的视频链接所示。土壤中自由基的出现，以及叶子的发芽，只是触及了我们希望在植物科学中探索的表面:

在炎热的夏天，几乎每个人都喜欢吃一份美味的卷筒冰淇淋。本着这种精神，我们在DynaTOM里放入了一个正在融化的卷筒冰淇淋进行研究，在那里可以很容易地看到其变化过程。这只是我们在食品科学中探索的众多例子中的一个，在这些例子中，质地和结构的变化对产品质量和消费者的口味体验有直接的影响。

溶于水的维生素药丸，很多人都能想到，这是制药行业可以用动态CT进行给药相关研究领域的典型。研究药物与液体环境的相互作用是控制药效和优化药效的关键步骤。

◆ 在哪里可以找到有关这些独特的动态CT系统的更多信息？

请访问我们的官方网站或访问TESCAN的YouTube频道，您可以在其中找到最新的动态CT并了解有关我们的显微CT产品的更多信息，您也可以联系所在地区的TESCAN人员咨询。

图：安装于沙特阿卜杜拉国王科技大学ANPERC研究中心的TESCAN Micro CT