Scanprobleme oder ‚Wie finde ich das richtige µA und kV-Pärchen?‘

Bei der ersten Berührung von Studenten mit der µCT-Technik kommt es meist zu einem kleinen ‚Aha‘-Effekt, gefolgt von einem ‚Oh Mist, wie soll ich mir das alles merken?‘.

Vorweg sei einmal gesagt: so kompliziert ist das alles gar nicht, hat man die Präparation erst einmal hinter sich gebracht. Denn Grundsätzlich gibt es ’nur‘ 3 Möglichkeiten den Scan zu beeinflussen, nachdem man die Position des Objektes ausgerichtet hat.

Also: Objekt hinein ins CT und die perfekte Position finden. . . Da Röntgenstrahlen nicht wirklich geradlinig fliegen, sondern einen Wellencharakter aufweisen sollte bei der Positionierung die Quelle – das Objekt – der Detektor : alles so nah wie möglich beieinander sein. Denn nach dem Durchfliegen des Objektes, sollen die übrigen Röntgenteilchen ja so wenig wie möglich Interferenzen unterliegen. Hat man die richtige Scanposition gefunden geht es ans SetUp:

Ziel ist es so viele Grauwerte im Scanbereich wie möglich abzudecken. Dabei dürfen keine totalen Schwarzen Teilchen, aber auch keine überbelichteten weißen Teilchen auftreten.

Dieser Grauwertbereich setzt sich wie folgt zusammen:

Nehmen wir mal an, bei meiner Quelle fliegen 10 Röntgenteilchen los; dann entspricht dies dem aktuellen absoluten Weiß. Nun durchtreten die Röntgenstrahlen mein Objekt, wobei an dicken Stellen viele Teilchen und an dünnen Stellen wenige Teilchen absorbiert werden. Am Detektor kommt nun diese verminderte Anzahl an Teilchen an und erzeugt nun einen grauen Punkt auf dem Pixel des Detektors, da es ja nicht mehr die vollen 10 Teilchen sind. Die unterschiedlichen Grauwerte sind nun in meinem Histogram zu sehen. Ich mal versucht das Schematisch Darzustellen:

20150515_205710 20150515_205720

Umso mehr man das Histogram bei einem Scan also ausnutzt, umso besser ist die Auflösung in den einzelnen Grauwerten. Man möchte also auch zwei Teilchen mit ähnlicher, aber nicht gleicher (!) Dichte, am liebsten noch trennen und muss hierfür die kleinen Unterschiedlichen Grauwerte hervorkitzeln!

Hier zwei kleine Beispiele: links: schlecht ausgenutztes Histogram; rechts: fast perfekt ausgenutztes Histogram

20150515_200354_LLS   20150515_200717_LLS


Manipulation 1: das Timing

Das Timing kann man sich wie bei einer herkömmlichen Kamera vorstellen: umso länger mein Timing, umso mehr Teilchen werden von meinem Detektor pro Bild aufgenommen. Das resultiert im gleichen Unterschied wie zwischen einem Tageslichtfoto und einem Nachtbild –> Nachts muss ich einfach den Belichtungswert hoch nehmen, sonst werden meine Bilder zu dunkel oder gar Schwarz. In unserer Technik hängt das Timing maßgeblich vom Objekt ab:

1. Ich habe ein normales rezentes Tier und möchte die Knochen scannen: um 750ms Belichtung . . . also total normaler Wert für unsere Maschine (http://www.ge-mcs.com/de/radiography-x-ray/ct-computed-tomography/nanotom-s.html)

2. Ich habe ein normales rezentes Tier und möchte den Knorpel scannen: um 1500ms . . . also verlängert, da die knorpeligen Strukturen weniger Dicht sind, als Knochen

3. Ich habe ein fossil und möchte durch den Stein scannen: um 1000ms . . . also relativ kurz, da meistens erhöhte kV und µA-Werte verwendet werden

4. Ich habe ein mit IKI gefärbtes Tier und möchte die Muskeln scannen: um 1000ms . . .  hier sehr geringe kV Werte, daher höhere Einstellung als Punkt 1

5. Ich habe ein getrocknetes Insekt und möchte das Innenleben scannen: um 4000ms . . . da sehr feine Strukturen aufgelöst werden sollen, die innerhalb eines Chitin-Gerüstes stecken

6. Ich habe ein IKI gefärbtes und getrocknetes Insekt und möchte das Innenleben scannen: um 1500ms . . . da die sehr feinen Strukturen nun durch die Färbung hervorgehoben werden, sind sie deutlicher zu sehen als das Chitin-Gerüst; daher Reduzierung des Timings

und so weiter und so fort:

Ihr seht schon: alles hängt sehr stark vom Objekt an sich ab!

Aber natürlich auch von den kV und µA Einstellungen… also kommen wir nun zu diesen:


Manipulation 2 und 3: kV und µA

Diese beiden Einstellungen sind so eng miteinander verwoben, dass sich eine getrennte Behandlung einfach nicht lohnt…

Im stark abstrahierten Beispiel (jeder Physiker möge es mir verzeihen!) kann man sich die beiden Werte wie folgt vorstellen: kV bezeichnet die Stärke eines Teilchens; µA bezeichnet die Anzahl der Teilchen, die fliegen.

Meinen Studenten erkläre ich es meist wie folgt:

Man möchte eine Leistung, die erbracht werden soll: in der Elektrotechnik nennen wir das 1Watt, aber abstrahieren wir es mehr, könnten wir auch sagen: wir wollen ein Sofa in den 5. Stock durchs Treppenhaus schleppen. Nun hat man zwei Möglichkeiten: man kennt ein paar kräftige Männer, dann braucht man nur 2 um das Sofa hoch zu kriegen; aber hat man das Pech und kennt nur ein paar schwache Männer, dann muss man mehrere an das Sofa stellen, sagen wir 6…

In der Wissenschaft ist nun die Kraft = kV und die Anzahl der Männer = µA . . . daraus resultiert: 1W=kV*µA.

Wenn ihr euch jetzt sagt: ok, dann gehe ich auf Nummer sicher und stelle 6 kräftige Männer ans Sofa werdet ihr schnell merken: die stehen sich nur im Weg! Dies ist auch hier der Fall: stellt ihr zu hohe kV bei zu vielen µA ein, behindern sich eure Röntgenstrahlen am Ende gegenseitig und ihr erhaltet Artefakte im Scan, sogenannte Ring-Artefakte. Diese gilt es zu vermeiden, da es sonst passieren kann, dass die ganze Arbeit um sonst war, weil man mit dem Scan nichts anfangen kann (siehe Bild).

Dicreaeosaurus Zahn Test 2 1

Daher gibt es auch hier eine goldene Regel: so wenig wie möglich, so viel wie nötig!


Nachdem jetzt die Grundprinzipien klar sind, wird es euch sicher schnell klar: alles hängt zusammen und voneinander ab!

Nehmen wir einmal zwei Extrembeispiele:

1. Ihr wollt ein ungefärbtes, getrocknetes Insekt scannen:

Ihr stellt also das Tierchen ein und seht erst einmal nichts, weil die Grundeinstellungen das Tier überbelichten. . . Da ihr Chitinstrukturen und gegebenenfalls Muskelfasern darstellen wollt und das Tierchen aber soooo klein ist müsst ihr was als erstes tun? . . . . . .  richtig: runter mit den kV!

Denn ihr wollt ja die feinen Chitinstrukturen auflösen und hohe kV Strahlen würden durch diese hauchdünnen Strukturen einfach alle durchschießen. Daher hättet ihr keine Absorption mehr und euch würde nur das weiß angezeigt.

Da ihr aber mit den kV sooo weit unten seit, könnt ihr nun viele Teilchen verwenden: so hoch wie es nur möglich ist! Meistens reicht das aber nicht aus und ihr müsst auch noch mit dem Timing hoch, relativ häufig auch das bis aufs Maximum. . . Ein einzelner Scan kann somit gut 9-12 Stunden dauern…

Da dies echt lange ist und sowohl Kathode als auch Insekt stark belastet, sind wir in unserem Labor dazu über gegangen die Tiere mit Iod zu färben. Die Resultate sind super und die Scans nur noch halb so lang.

2. Ihr wollt ein Fossil scannen:

Ihr stellt also den Stein ins CT und…. seht wieder nichts: Die Grundeinstellungen sind zu niedrig um durch den Stein durchzudringen. . . also was tun? . . . richtig: hoch mit den kV! Eure Röntgenstrahlen müssen stark genug sein, damit wenigstens noch 10% hinten ankommen. Dann kommt ihr aus der undetektierbaren ‚Schwarzen Zone‘ heraus und ihr erhaltet wieder Grauwerte und nicht die bösen schwarzen Stellen. Doch nun müsst ihr mit den µA aufpassen! Habt ihr zu viele Teilchen behindern sie sich vor und vor allem auch nach dem Objekt gegenseitig und ihr erhaltet die angedeuteten Ringartefakte! Also lieber: Timing etwas angleichen. . . Ihr werdet feststellen: viel angleichen müsst ihr meistens nicht. Es liegt in den meisten Fällen um 1000ms, weshalb die Scans hier 1,5-2 Stunden dauern können. Bei sehr leichtem Material, wie Kalkstein zum Beispiel, liegen die Scans auch mal bei ca. 1h.


Ihr seht also: vieles ist ausprobieren und hinspielen! Also die Scheu abgelegt und ran an das CT! ^_^

Ich bin immer offen für Anregungen und Fragen: schreibt mir einfach unter mikroctlabor(at)mfn-berlin.de!