Biologia, Paleontologia, Tecnologia

Como funciona por dentro: microtomografia

Caso eu tenha deixado de mencionar anteriormente, minha dissertação era essencialmente a descrição da anatomia pós craniana de um Crocodilomorpha do Cretáceo do Brasil. Infelizmente eram ossos pequenos e frágeis inseridos em um arenito (uma pedra!) duro pacas e a remoção deles resultaria em perdas de material. Isso, por acaso, foi tentado por outros alunos que conseguiram limpar em parte o material, mas perderam tanta coisa no processo que tivemos que abordar os fósseis com outra estratégia. Felizmente nós temos um laboratório com equipamento para microtomografias. Neste post dou uma revisão bem geral sobre a técnica.

Histórico

A aquisição de dados microtomográficos foi desenvolvida nos anos 70, para uso médico e posteriormente sua utilização em pesquisa nas áreas de geologia e engenharia foi impulsionada nos anos 80. As imagens microtomográficas são obtidas através de diferenças de atenuação dos raios X sobre materiais do objeto imageado. Estas atenuações são dependentes tanto do material analisado quanto da intensidade e qualidade da radiação aplicada. O processo todo tem um jeito de radiografia, mas é bem mais que isso. Enquanto na radiografia vemos apenas uma imagem 2D onde ficaram registrados os materiais de diferentes densidades, na microtomografia existem mais possibilidades de análise.

Aplicações diversas
Exemplo de tomografia: a técnica que permite a visualização de estruturas internas de um objeto foi desenvolvida para fins de diagnóstico médico, mas mostrou-se util em outras áreas da pesquisa. Na esquerda temos um bloco de rocha com diferentes constituintes separados por cores. Na direita, temos uma tomografia co crânio de um mamífero onde a região do cérebro foi diferenciada.

Em resumo: a técnica consiste do mapeamento de diferenças de densidade dentro do material analisado usando radiação, mas que permite a visualização de sua estrutura interna em detalhes. A máxima resolução obtida com scanners médicos é de 600 µm x 600 µm x 1 mm (três dimensões, notem), mas equipamentos desenvolvidos para materiais mais específicos podem obter resoluções superiores.

tomografia medica
Tomografia médica: A tomografia médica é bem específica, depende de menos energia (até porque mais seria cancerígeno/radioterápico) que as demais, mas é a mais usada e explorada. No tomógrafo médico podemos ver os elementos básicos do equipamento a fonte (que é móvel), a plataforma (que é fixa, pois é onde fica o paciente) e o detector (que fica oposto à fonte, por isso o formato circular do equipamento).

Fontes e Filtros

O síncrotron é um fonte artificial e policromática de raios-x. Este tipo de fonte sempre possui múltiplos tipos de energia, isso gera distorções (artefatos) na imagem que tornam sua interpretação difícil devido às diversas atenuações de raios de baixa energia. Fontes monocromáticas, como elementos radioativos usados em equipamentos de raio-x médicos, são as melhores, porém, são um problema em termos de manutenção e descarte. Fontes artificiais podem ser adaptadas usando difração (com a ajuda de um filtro que desvia os raios de energia inferior), mas isso reduz a intensidade dos raios significativamente e só pode ser feito em fontes relativamente potentes.

Scanners para uso em aquisições de alta resolução geralmente utilizam fontes de síncrotron de alta energia, com raios paralelos ou quase-paralelos e monocromáticos; estes atingem resoluções de 5 um. Porém, a aquisição de alta resolução restringe o tamanho da amostra significativamente. Este tipo de aquisição é necessária para a visualização de amostras que envolvam materiais de atenuações baixas como diferenças entre gases e líquidos.

O caso do Césio 32 que aconteceu no Brasil nos anos 80 (parece tão distante agora…) é um ótimo exemplo de risco oferecido por fontes naturais de radiação. Um síncrotron pode simplesmente ser desligado e torna-se inofensivo. Eu acho…

Para a realização da aquisição, diversas configurações precisam ser adequadas ao objetivo da aquisição. As configurações de aquisição envolvem ajustes da fonte (intensidade) e detector (atenuação e filtragem). Dentre as configurações de aquisição relevantes podemos citar corrente, voltagem e filtragem. Corrente e voltagem determinam em parte a intensidade da emissão. Os filtros são utilizados para promover a difração dos raios policromáticos reduzindo sua intensidade e podem ter impacto significativo nos resultados da aquisição.

255 tons de cinza

A aquisição em si resulta em algo parecido com a sísmica em geologia. As imagens da aquisição, as quais são simples bitmaps, devem ser processadas antes de serem úteis em alguma coisa. O processo de reconstrução utiliza filtragem das imagens digitais através de modelos matemáticos. Durante a reconstrução são removidos diversos artefatos gerados durante a aquisição. Os artefatos são um elemento inerente do método e, embora possam ser reduzidos em condições ótimas de aquisição, podem ser gerados por fatores como desalinhamento entre a fonte e o detector, erros no detector, objetos anormalmente densos (amostra heterogênea, o que por acaso, é a regra) e etc.

O resultado da reconstrução são séries de imagens que documentam o objeto tomografado tanto interna quanto externamente. Estas imagens são sempre em uma escala de cinza, onde as diferentes densidades do material original foram convertidas em uma escala de 255 tons de cinza onde os tons mais claros (em direção ao 255) identificam densidade maiores e os tons mais escuros (em direção ao 0) identificam densidades mais baixas ou atenuação zero (quando o raio passa direto pelo material, praticamente sem refração). A visualização pode ser feita diretamente nas fatias, um procedimento típico da tomografia médica, ou utilizadas para a criação de um modelo tridimensional que permita livre manipulação.

brain tomograph
Uma tomografia médica: Creio que agora começou a fazer sentido o minha lorota sobre reconstrução e etc. A série de imagens, conhecidas como fatias, mostram as diferentes densidades dentro do material na forma de uma escala de cinza.

A microtomografia pode ser utilizada em materiais que apresentem diferença de densidade suficientemente grande entre seus constituintes ou na composição atômica. Umas das aplicações é no mapeamento de porosidade de materiais dada à extrema diferença de densidade entre os poros e o material circundante; é o método utilizado para caracterização de rocha reservatório em geologia sedimentar ;). É possível, por exemplo, diferenciar as fases sólidas, líquidas e gasosas em uma amostra para avaliar a porosidade efetiva. A aquisição também pode ser utilizada para visualização de volumes tridimensionais em alta resolução. Um exemplo disto é a avaliação de rugosidade/irregularidade de superfícies de amostras de rochas ou visualização 3D da morfologia externa de micro e macrofósseis em resoluções semelhantes ou superiores às do microscópio eletrônico. Uma das principais vantagens da microtomografia é ser um método que preserva o material estudado o que permitiria sua aplicação tanto em materiais onde métodos destrutivos seria inviáveis (como fósseis e meteoritos) e no monitoramento de processos ativos como relações deformações em materiais utilizados em engenharia.

Comparação densidade candidodon
Meu orientador morre se ver isso: dados não publicados ;) Aqui temos uma microtomografia de crânio, como no primeiro exemplo. Podemos ver a escala de cores distinguindo o fóssil do sedimento. Na imagem de cima, a escala de cinza foi convertida em cores para melhor visualização.

Outras coisas legais

Outra forma de produzir um efeito parecido com o da tomografia é transformar um objeto físico em laminas e fotografá-las em alta resolução. Este processo é destrutivo pois exige que o material seja laminado para sua realização. As laminas, por sua vez, são preservadas o que permite novas aquisições ou observação direta das mesmas. O resultado final é semelhante a uma tomografia, porém, com imagens coloridas que permitem uma melhor segmentação e identificação de estruturas através das lâminas. Isso pode ser feito com rocha, ou qualquer outra coisa que seja solidificável e um exemplo é o Visible Human Project que está fazendo exatamente isto com corpos humanos.

Este vídeo é meio antigo, mas mostra muito bem como a técnica funciona na prática. Eles usam resina para tornar o corpo inteiro um bloco sólido que vai sendo fotografado e polido (desbastado) a até literalmente desaparecer.

O Auriga é um equipamento da Zeiss (depois me lembrem de cobrar pelo jabá) que aplica a nanotomografia, mas este é um método totalmente destrutivo de análise de amostras. Diferentemente da tomografia as imagens são obtidas com um laser que é aplicado diretamente às amostras. O resultado deste processo é o desbastamento da amostra a sua consequente destruição. Porém, o Auriga oferece acesso a escala nanométrica, visualização tridimensional da amostra e mapeamento de sua composição química.

Tem uns vídeos da Zeiss explicando o método, mas este é o melhor para mostrar o resultado da aquisição.

Referências

Mees, F.; Swnnen, R.; Van Geet, M.; Jacobs (eds), P. 2003. Applications of X-ray Computed Tomography in the Geosciences. Geological Society, Londo, Special Publications, 215.

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