Beeldvorming via X-stralen: van 2-D naar 3-D
Iedereen kent de toepassing van X-stralen in de medische beeldvorming. Beeldvorming ontstaat doordat de straling, afhankelijk van de energie, door de meeste zachte weefsels wordt doorgelaten, maar door hardere weefsels zoals het skelet wordt tegengehouden. Sinds meer dan een eeuw kan daarom het skelet makkelijk met röntgenstraling worden afgebeeld. Ook in de tandartspraktijk wordt dit inmiddels frequent toegepast. In de voedingsindustrie maken X-stralen inspectiesystemen zich dan weer nuttig voor het detecteren van vreemde voorwerpen op basis van densiteitsverschillen (Haff & Toyofuku, 2008). Voornamelijk steentjes en metaaldeeltjes worden ermee opgespoord in verpakte of onverpakte voedingsproducten.
X-stralen (of Röntgenstraling) zijn elektromagnetische golven met een energie die kan variëren van 120 eV tot 120 keV (kilo-elektronvolt), wat correspondeert met golflengten van 10 tot 0,01 nanometer (nm). Ze hebben dus een iets hogere energie dan zichtbaar licht en ultraviolet. X-stralen worden geproduceerd wanneer elektronen, afkomstig van een verhit filament versneld worden in een elektrisch veld en op een doelmateriaal botsen. Hierbij wordt energie van de elektronen vrijgegeven onder de vorm van X-stralen. Wanneer X-stralen doorheen een object dringen, worden deze geabsorbeerd naargelang de densiteit en het atoomnummer van de onderzochte materie en de energie van de toegepaste straling. Na registratie van de resulterende straling op een detector, kan een visuele impressie gegeven worden van de inwendige structuur van het gescande object. |
Klassieke radiografische beelden geven typisch een 2-D projectie van een 3-D object (Figuur 1a). X-stralentomografie gaat echter een stap verder door driedimensionale beelden te genereren via ‘computed tomography’ (CT). Hierbij worden radiografische projecties van het object onder verschillende hoeken rondom, in dunne ‘plakjes’ (Figuur 1b), genomen. Vervolgens bouwt men op basis van deze virtuele dwarsdoorsneden computermatig een driedimensionale weergave van het object op.
Figuur 1: (a) Radiografisch beeld van een appel. De stippellijn duidt aan waar een virtuele dwarsdoorsnede (b) van de 3-D structuur werd gereconstrueerd. Op deze figuur zijn verschillende inwendige vruchtstructuren zichtbaar (klokhuis, pitten, vaatbundels, vruchtvlees). Het histogram (c) geeft de frequentieverdeling van de verschillende grijswaarden van de dwarsdoorsnede weer. Er kan een kleine piek onderscheiden worden bij grijswaarde 20 (lucht in klokhuis), en een grote piek rondom grijswaarde 110 (weefsel). [Bron: Pieter Verboven, MeBioS]
Micro-CT: 3D beeldvorming tot in het kleinste detail
Het Vlaamse bedrijf Skyscan heeft verfijnde CT apparatuur ontwikkeld (micro-CT genaamd) die de 3D microstructuur van poreuze producten tot in het kleinste detail kan opmeten. In het kader van het EU FP7 project InsideFood (gecoördineerd door MeBioS, K.U.Leuven) wordt deze technologie specifiek verder ontwikkeld voor analyse van poreuze voedingsproducten. Uitdagingen hierbij zijn het hoge watergehalte van sommige levensmiddelen of de warmtegeneratie die kan optreden bij CT opmetingen. In het project werden ondermeer schuimen, bakkerijproducten en fruit opgemeten in hoge resolutie met Skyscan apparatuur en gevisualiseerd in de beeldverwerkingsoftware Avizo. De volgende youtube-filmpjes illustreren de kracht van deze beeldvormingstechnologie:
- Micro- en nanostructuur van de poriën van appel
- Micro- en nanostructuur van een gestabiliseerd schuim (type mellow cake).
Toepassingen voor productontwikkeling en procesoptimalisatie
In InsideFood werd de relatie tussen de samenstelling, microstructuur en procescondities van crackers blootgelegd. Zoals verwacht beïnvloedde de samenstelling de porositeit van het eindproduct. Er werden niet zozeer verschillen in globale porositeit (88 à 92 %) gevonden maar wel in de microstructuur porositeit. Deze laatste bleek ook bepalend voor de mechanische eigenschappen van het product. Zo bleken crackers op basis van tarwe grotere poriën te hebben dan deze op basis van rijst, die dan weer een dikkere matrix structuur had. Roggecrackers vertoonden dan weer een hoge graad van matrixconnectiviteit (Figuur 2). Alle crackers hadden een hoge graad van anisotropie, met andere woorden crackers hebben een gelaagde structuur. Deze inzichten lieten toe om de extrusieparameters bij te sturen in functie van de samenstelling. Een lagere extrusiesnelheid leidde tot kleinere poriën en een dunnere matrixstructuur.
Figuur 2. Micro-CT opname van de microstructuur van crackers op basis van respectievelijk rogge, rijst en tarwe. [Bron: Pieter Verboven, MeBioS]
Eveneens werd microstructuuranalyse aangewend om het effect van de samenstelling (zoals vezelfractie) en extrusieparameters op de mechanische eigenschappen van ontbijtgranen te onderzoeken. Door middel van principale componentanalyse kon men duidelijke relaties leggen tussen microstructurele parameters (zoals porositeit, poriëngrootte, matrixdikte en specifiek oppervlak van de matrix) met mechanische eigenschappen zoals breukkracht en het aantal pieken tijdens de mechanische test.
Trend: snelle CT beeldvorming
Snelle CT scanners zijn vandaag reeds beschikbaar voor medische toepassingen. Met deze techniek kan op een snelle manier (enkele seconden) een 3-D beeld genomen worden van de interne structuur van objecten. Figuur 3 toont het resultaat van een snelle CT scan van een kist gevuld met appels. Zowel de radiografiebeelden (Figuur 3c) als de 3-D CT beelden (Figuur 3b) kunnen gebruikt worden om de inwendige kwaliteit van de vruchten te screenen. Deze techniek biedt dus uitzicht op online toepassingen van de techniek, waarbij verder onderzoek nodig is om goedkope snelle systemen te ontwikkelen.
(a)
(b)
Figuur 3. Snelle beeldvorming van de interne kwaliteit van appels door middel van CT: (a) CT scanner, (b) 3-D beeld van een kist gevuld met appels, (c) radiografiebeeld van de inwendige structuur van de appels. [Bron: Pieter Verboven, MeBioS]
Nuttige links
- Skycan, een Vlaams bedrijf dat micro CT apparatuur ontwikkelt
- EU FP7 project InsideFood
- InsideFood Nieuwsbrief 1
- InsideFood Nieuwsbrief 2
Bronnen
- Haff RP & Toyofuku N. (2008). X-ray detection of defects and contaminants in the food industry. Sens. & Instrumen. Food Qual., 2, 262-273.
- Ho QT, Verboven P, Verlinden BE, Herremans E, Wevers M, Carmeliet J, Nicolaï BM. (2011). A three-dimensional model multiscale model for gas exchange in fruit. Plant Physiology, 155, 1158-1168.
- Mendoza F, Verboven P, Mebatsion HK, Kerckhofs G, Wevers M & Nicolaï BM. (2007). Three-dimensional pore space quantification of apple tissue using X-ray computed microtomography. Planta, 226, 559-570.
- Mendoza F, Verboven P, Tri Ho Q, Kerckhofs G, Wevers M, Nicolaï B. (2010). Multifractal properties of pore-size distribution in apple tissue using X-ray imaging. Journal of Food Engineering, 99, 206-215.
- Verboven P, Kerckhofs G, Mebatsion HK, Ho QT, Temst K, Wevers M, Cloetens P & Nicolaï BM. (2008). Three-dimensional gas exchange pathways in pome fruit characterized by synchrotron X-ray computed tomography. Plant Physiology, 14, 518-527
- Verboven P (2011). InsideFood: 3-D sensors for food microstructure. New Food Magazine, Accepted for the December Issue
Acknowledgements
- This publication has been produced with the financial support of the European Union (project FP7-226783 - InsideFood). The opinions expressed in this document do by no means reflect the official opinion of the European Union or its representatives.
- Een deel van dit onderzoek werd gerealiseerd door een IWT bursaal (Els Herremans).
