使用自动换样机器人的高通量连续断层扫描

摘要

本文介绍并讨论了在英国钻石光源（DLS）I13-2成像光束线处，使用自动换样机器人进行基于同步辐射的X射线断层扫描的实施细节和数据采集流程。该方法显著提高了光束线的数据通量和采集效率。

摘要

本文描述了一种用于自动化数据采集的工作流程，该流程采用机械臂进行样品更换，显著提高了数据采集效率。该系统在Diamond Light Source（DLS）I13-2成像光束线的同步辐射X射线成像实验中实施，利用机器人实现高通量的连续断层扫描（3D）或成像（2D）。目前，对于许多实验而言，手动更换和对齐样品所需的时间与断层扫描本身所需的时间相当，甚至更长。为了最大限度地高效利用可用的光束时间并提高实验通量，实现样品更换和对齐的自动化至关重要。使用机器人作为样品更换装置，相较于手动操作，通量可提高至少4至10倍，具体倍数取决于所选的像素尺寸。随着Diamond II加速器及I13L光束线的Operando Coherent TOmography and Ptychographic Imaging（OCTOPI）升级项目的实施，X射线通量将进一步提升，从而进一步缩短实验扫描时间，使系统更加高效。此外，自动化还支持远程数据采集，包括为用户提供可选的邮寄样品服务。自动化的样品居中功能可实现完全无人值守的扫描，并可通过远程操作完成，这是该系统的一项独特而创新的特性。本文详细描述了完整的操作流程，包括样品制备、在专用样品架上的安装、运输至光束线，以及放置于专用于机器人样品交换的托盘上。同时介绍了自动化样品居中流程及后续的断层扫描重建流程 。

引言

数十年来，自动化已广泛应用于重工业制造领域^1,2,3。然而，机器人硬件与软件的发展已日趋成熟，能够胜任基因测序、在医院中实施外科手术或辅助开展化学实验等极为精细的工作^4,5,6,7。自动化不仅可消除人为误差，还能提高通量和效率⁴。

同步辐射X射线源可在从红外到硬X射线的宽光谱范围内产生极其明亮且高度相干的电磁辐射。这些光源能够实现高通量、高分辨率的成像实验，扫描时间极短且具有高统计性。与基于实验室的X射线源相比，部分相干性可用于提高对弱吸收软材料（如聚合物或组织样品）的对比度^8,9,10。完整的X射线断层扫描数据集——可用于实现物体真实三维可视化——需要采集样品在不同角度下的投影图像。光源亮度、实验设备及控制系统的进步使得数据采集时间缩短至几十秒到数分钟范围内⁸。因此，样品装载与对准所耗费的时间已超过断层扫描本身^11,12。需要特别指出的是，在同步辐射断层扫描实验中手动更换样品可能耗时较长（相对于扫描时间），因为在进入和关闭实验站屏蔽舱时必须遵循辐射安全规程。该过程通常需要数分钟。此外，样品对准也可能耗时数分钟。

如果样品更换和样品对准过程实现自动化，将节省大量时间。因此，在DLS同步辐射装置的I13-2成像光束线上已部署了样品更换机器人。本文详细描述了在I13-2成像光束线上使用样品更换机器人进行多样品同步辐射X射线显微断层扫描实验的完整方案^11,12。该实施方案不仅提高了实验时间的利用效率，还支持远程开展实验。相比之下，手动或半自动化操作均显著更耗时。此处，“半自动化”指仅使用机器人进行样品交换，而不进行样品对准。

自动化的重要性在其他同步辐射成像光束线的自动化项目中得到了进一步凸显，其中最为相似的项目包括美国阿贡国家实验室先进光子源（APS）的2BM光束线¹³、瑞士光源（SLS）的TOMCAT光束线¹⁴、欧洲分子生物学实验室（EMBL）位于PETRA III上的P14光束线¹⁵，以及德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）光源的IMAGE光束线¹⁶。在APS的2-BM光束线上，需要通过机器人进行扫描的样品被安装在标准运动学基座上，该基座可置于最大容量为60个样品的样品交换托盘中。随后，机械臂抓取样品并将其安装至旋转台上。然而，样品的对准过程是通过体视显微镜离线完成的。SLS的TOMCAT光束线也安装了类似系统，但该系统实现了全流程自动化，能够自动完成样品的装载与卸载、对准、感兴趣区域的扫描以及图像重建，每次最多可处理60个样品。最近，PETRA III上的P14光束线¹⁵安装了一套样品更换系统，可处理尺寸约为1 mm的软性生物样品，其定位与居中通过三点击居中法完成。在KIT的IMAGE光束线，高通量成像/断层扫描终端可在两天内完成多达1,500个样本的测量¹⁶。与上述机器人系统不同，I13-2成像光束线系统目前可处理直径最大为8 mm的样品，并可在八小时轮班期间自动完成最多112个样品的测量 ，全程无需人工干预，包括自动样品居中。

目前位于 Diamond-Manchester 成像光束线 I13-2 的断层扫描装置已在所提及的出版物中报道过¹⁷。为完整起见，本文总结了断层扫描实验的关键方面；请同时参见图1。断层扫描样品台系统由一个六轴位移台（PI miCos）组成，用于样品操控以及旋转轴倾斜对准。一个空气轴承旋转台安装在六轴位移台之上。该旋转台具有优异的摆动精度（<2.4 µrad）和轴向误差（<100 nm）。断层扫描探测器系统配备四种不同的放大倍数（或视场）。在本研究中，使用了1.25×（有效像素尺寸为2.6 µm，视场为6.7 mm × 5.6 mm）和4×（有效像素尺寸为0.81 µm，视场为2.1 mm × 1.8 mm）的物镜。1.25×物镜配有500 µm厚的LuAg:Ce闪烁体，而4×物镜配有100 µm厚的LuAg:Ce闪烁体（Crytur）。一个sCMOS探测器（pco.edge 5.5）通过额外的2×摄影目镜记录放大后的闪烁屏图像（所有显微镜光学元件均来自Olympus）。有效像素尺寸范围为2.6 µm至0.33 µm，在所用最高放大倍数下分辨率约为1 µm。探测器芯片尺寸为2560 × 2160，像素大小为6.5 µm，像素阵列的最大读出速率为100 Hz。

方案

注意：本研究使用来自伦敦自然历史博物馆（NHM）的昆虫标本进行比较表型分析。这些标本由自然历史博物馆按照标准获取程序获得，以确保标本系合法采集并捐赠。

1. 实验设计

1. 通过以下链接联系 I13-2 光束线工作人员，确认在该光束线上使用感兴趣样品进行断层扫描或成像实验的可行性：https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Imaging-and-Microscopy/I13-2/Staff.html。
2. 通过以下链接提交申请，以获取执行计划中实验的时间段：https://www.diamond.ac.uk/Users.html。
3. 在申请获批且实验已排期后，与光束线工作人员讨论样品制备和样品测量流程。使用机器人进行的实验具有特定要求，详见下一节（第 2 节）。
4. 与光束线工作人员讨论样品的尺寸和组成，以确认实验可在光束线上成功实施。
5. 按照网站（https://www.diamond.ac.uk/Users.html）上的说明，提前充分准备实验访问。
6. 在实验开始前完成安全培训。

2. 样品制备（用于机器人实验）

1. 为样品安装准备兼容 SPINE 的样品基座¹⁸。将每个样品安装在带有数据矩阵条形码的 SPINE 风格标准样品基座上，以实现样品的自动化追踪。
2. 采用以下两种方式之一将样品固定在基座上。针式安装：将样品固定在 SPINE 风格的样品针上（见 图 1C，插图）。容器或直接安装：将样品放入兼容的容器中（如微量离心管/聚酰亚胺管），或直接放置在样品基座上。
3. 通过确认安装后的样品尺寸在允许范围内，以检查其与机器人夹具的尺寸兼容性，确保机器人操作安全（见 图 2）：
   选项 A：可容纳于直径 8 mm、高度 20 mm 的圆柱体内。
   选项 B：可容纳于直径 3.5 mm、高度 33 mm 的圆柱体内。
4. 确保两种安装方式的样品均位于样品基座中心。根据所选配置，确保总高度（样品 + 安装件 + 基座）不超过 27 mm 或 40 mm。
5. 当将样品安装在 SPINE 样品针上时，确保样品位于针的顶端，且无任何部分被针杆遮挡。样品必须垂直且居中安装在针基座上，以避免与机器人夹具发生接触。这对于第 2.3 节协议中描述的选项 B 安装方式以及安装在样品针顶端的细长样品尤为重要。
6. 当在容器或管内安装样品时，应牢固固定样品，防止其在运输或机器人操作过程中发生位移。确保容器本身在样品基座上保持垂直对齐。
7. 将所选的安装元件（针或容器）牢固且垂直地固定在样品基座上，以确保整个实验过程中的位置稳定性。
8. 使用可靠的粘合剂或固定方法，防止样品在运输和自动化操作过程中脱落，因为这两个过程均可能引入机械应力。
   注：常用的粘合剂包括氰基丙烯酸酯（瞬间胶）、石蜡和热熔胶。若对材料兼容性不确定，请咨询光束线工作人员。
9. 检查所有样品是否从容器顶缘或样品针起保持一致的高度。对于安装在容器内的样品，确保所有样品距容器壁的横向距离相同。
   注：一致的定位对于可靠的自动对准至关重要。相对于视场较小的样品允许更大的容差。
10. 记录每个样品关联的数据矩阵码，以确保在数据分析过程中能正确识别样品。
11. 生成 samples.csv 文件，将每个样品名称与其样品基座的数据矩阵码关联，并传递与运行断层扫描相关的参数。

3. 样品包装与递送

1. 实验环节开始前不晚于15个工作日，提交实验风险评估（ERA）并在其中声明所有样品。该实验风险评估须经DLS健康与安全（HSE）小组批准后，方可将样品寄送或带至现场。
2. 使用通用样品底座配合样品针式组合储存和/或运输容器（亦称Uni-puck）。若通过邮寄方式发送样品，此步骤尤为重要。
3. 若样品无法适配第3.2步中所述储存容器的样品槽，请另作替代性安装安排，例如使用适配样品底座的磁性保护帽，并直接携带样品进行测量。

4. 实验设置

1. 调整X射线源参数，以在样品中实现最大对比度。为此，可移动全谱和/或过滤X射线谱。
2. 根据X射线谱以及特定样品所需的相位对比程度，优化相机与样品之间的距离。
3. 根据样品尺寸和所需的视场选择显微镜放大倍数，并选择相应的显微镜物镜。
4. 调整相机的水平位置（实验室中的x轴）与X射线束对齐。

5. 样品上样与校准

1. 每次实验开始时，应仔细检查样品及其安装情况，查看是否有任何样品出现损坏或安装松动的现象。如发现此类情况，应及时通知用户。
   注意：目前光束线可配备最多7个样品环（puck），每个样品环最多可容纳16个样品。单次机器人运行最多可测量112个样品。请参考补充图2，其中展示了如何识别样品环插槽（针位）的位置。
2. 根据samples.csv文件中指定的位置，将样品安装到相应的样品环及插槽（针位）上。对若干样品执行一次机器人换样流程的空载试运行，以测试机器人运行是否正常，并确保样品符合规定的规格要求。
3. 使用带有样品针（无样品）的样品底座，将旋转台的旋转轴在水平方向上对准探测器中心。
4. 将针尖移动至X射线相机的中心位置（图3A）。将设置在与光束成90°角的望远镜相机（TC）（如图所示，图3）调整至视场中心（FOV）。确定该位置在TC中的像素坐标。
5. 在负责样品对准的脚本中更新样品目标位置。
6. 安装一个代表性样品。运行自动样品对准脚本，将样品置于TC旋转中心。该脚本的链接见补充文件1。
7. 检查样品的兴趣区域（ROI）是否位于X射线相机视场（FOV）的中心。
8. 如果ROI未处于视场中心，则重复步骤5.5至5.7，通过修改目标位置的坐标来优化样品对准。
   注意：第4节和 第5节由本地联系人完成，但第4.2节除外。

6. 数据采集设置

1. 检查 DLS 文件系统上是否已创建所需的文件/文件夹结构，用于存储原始数据、元数据文件和分析结果。
2. 将 samples.csv 文件复制到第 6.1 步中提到的文件夹。
3. 根据样本结构和所需的对比度，在 samples.csv 文件中更新相机曝光时间和需采集的投影数量。
4. 定义两组电机位置，分别称为加载位置（Loading Position, LP）和扫描位置（Scanning Position, SP）。LP 是为优化样本装载而设置的阶段位置，SP 则用于样本的断层扫描。
   注意：第 6 节由本地联系人执行，或由 DLS 系统自动创建。

7. 进行数据采集

1. 根据 samples.csv 文件中的指示，将所有样品安装到正确的样品托盘（puck）和样品针（pin）位置。
2. 数据采集使用 DLS 开发的开源软件通用数据采集（Generic Data Acquisition, GDA）工作台（https://alfred.diamond.ac.uk/documentation/manuals/GDA_User_Guide/master/introduction.html）。该系统基于 Java，用于 DLS 实验的控制与数据采集。参见补充图1中的截图。
3. 在 GDA 中使用名为 tomomatic 的对象，实现自动换样、样品对齐和断层扫描测量。
4. 在 GDA 终端中输入命令 tomomatic.load (/dls/i13/data/year/… samples.csv) 以加载文件，然后执行 tomomatic.scan() 命令开始运行。
5. 机器人首先从装载托盘中取出样品并将其送至激光条码阅读器。条码读取完成后，机器人将样品移至断层扫描台并安装。请确保整个过程运行顺畅。
   注：此处使用的是配备自主研发柔性夹持器（flexure gripper）的 Yaskawa 机器人。
6. 完成样品装载后，样品台移动至 SP 位置。随后执行 tomomatic 脚本中的 autoCentrePin 函数，将样品定位至旋转中心（Center of Rotation, COR）。至此，使用机器人自动换样系统的 X 射线断层扫描测量已准备就绪。
   注：tomomatic 脚本的伪代码请参见补充文件1。
7. 执行 TomoFlyscan 函数进行断层扫描测量。该函数首先采集 40 张无 X 射线束时的投影图像，称为暗场图像（dark image, DI），以及 40 张有 X 射线束但无样品在光路中的图像，称为平场图像（flat-field image, FI）。这些图像将在数据重建过程中用于图像归一化。
8. 根据 samples.csv 文件中指定的样品旋转角度间隔，在光路中放置样品并采集投影图像（Projection images, PI）。本案例中，共采集 3001 张 PI 图像。
   注：从步骤 7.5 到 7.8 的所有操作将依次自动进行，无需人工干预。

8. 访问数据与分析

1. 通过浏览相应的文件系统和文件夹访问已保存的数据。上一节中提到的扫描数据保存在两个不同的文件中，一个为 *.nxs 文件，另一个为 *.hdf 文件，其中 * 为数字编号，例如：123456.nxs 和 123456.hdf。NXS 文件包含扫描的元数据，而 HDF 文件包含所有投影图像数据（NXS 中的链接数据）。
2. 使用 Savu 重建流程¹⁹ 从投影图像生成二维切片。
3. 使用三维渲染软件（如 AVIZO / ImageJ）访问并可视化重建后的图像。
   注意：完成第 7 和第 8 节需要用户与本地联系人协同操作，各自完成相应的子步骤。

结果

图1展示了安装在Diamond I13-2成像光束线上的Yaskawa GP7样品更换机器人。图1A显示了机器人（1）和自行设计的柔性夹持器（2）。该夹持器可固定直径≤ 8 mm的样品。图1B展示了机器人（1）以及用于采集断层扫描数据的光学/X射线相机系统（4）和（6）。机器人夹持器从样品托盘（3）中取放样品，该托盘可容纳7个uni-puck，每个puck可放置16个样品，如图1C所示。样品安装在铝制销钉（5）上，并使用探测器系统（6）进行断层扫描数据采集。关于（5）和（6）的详细信息见引言部分最后一段。图1B中的红色虚线表示X射线束的传播方向。

样品安装方案和柔性夹持器设计的详细信息如图2所示。图2A展示了一个通过3D打印制成的圆柱形塑料样品，该样品被粘接到样品底座上。样品的边界表示样品最大高度和直径的包络范围。红色箭头指示柔性夹持器夹持样品底座的位置，用于将样品从样品托盘移至断层扫描台，或反向移动。柔性夹持器的三维设计如图2B所示。夹持器的指状结构由气动控制的驱动管（图1B，部件2）驱动。夹持器中央空间的直径为8.9 mm，如图2C所示，可容纳最大尺寸为8 mm的样品，并留有约1 mm的余量。图2D展示了断层扫描台顶部的照片。一根铝制定位销安装在两个正交移动台之上，其上放置一个磁性圆盘，该圆盘的直径精确匹配样品底座底部凹槽的尺寸。由于该圆盘具有磁性，可在断层扫描测量过程中牢固地固定已安装的样品底座。

在本代表性实验中，选用了由伦敦自然历史博物馆（NHM）提供的64个昆虫样本。所选标本涵盖了多种节肢动物表型，同时符合夹持器的尺寸限制。节肢动物，尤其是昆虫，代表了已知物种多样性的绝大部分，已命名物种超过100万种，因此在进行表型比较研究时，采样极具挑战性。本研究样本因此通过采集节肢动物中三个纲级分支（Arachnida、Entognatha 和 Insecta）来展示该方法的潜力，并在昆虫类群中进一步细化采样，涵盖七个目，其中包括当今现存物种最丰富的四个目。标本使用粘合剂固定于卡片上，再将卡片安装至样品针上。避免将样品（昆虫）直接安装在样品针上，因为在X射线束路径中若存在高吸收结构而样品本身吸收率较低时，会在重建过程中产生条纹伪影，此外直接固定在样品针上也难以确保稳定性。表1展示了用户需填写的模板文件 samples.csv，其中包含断层扫描所需的参数（A、B、C、E、F、G、H、K列），表格中提供了各列的说明。输入文件中的D、I、J和L列将在光束线处完成断层扫描参数的对齐与优化后填写。全部64个样品首先使用1.25倍物镜（视场为6.7 mm × 5.6 mm）在优化的X射线传播距离（样品到探测器的距离）下进行测量，随后使用4倍物镜及其各自优化的参数对同一批样品再次进行测量。当样品被装载到样品托盘上且实验舱门已安全关闭后，通过GDA启动扫描。

通过 Python 编写的脚本自动完成样品的对齐（文件在 GitHub 上的位置：https://gist.github.com/ndg63276/9b3c5cfe7db26b14930dff3ef889e2bc）. 首先，使用样品底座和样品针组合（不放置样品）进行样品定位的设置。 图3 显示样品针的侧向望远镜相机图像（相机位于与X射线束成90°的位置） 图1B，项目4），用作标准对齐样品。对望远镜相机图像进行二值化处理，以便从背景中检测出样品。样品的边缘被确定并标记为白色边界，如图所示 图3样品的参考坐标位置是插图中以白色圆圈标记的针的顶端 图 3A. 观察X射线图像，将样品的感兴趣区域（ROI）置于旋转中心（COR）上，所需的目标坐标位置以蓝色双头箭头十字标记，并用红点标出（图 3B)，由侧方相机确定。该目标位置的设定不仅允许将样品放置在旋转中心（COR）上，还可根据需要将其置于稍高或稍低几毫米的位置，或略微偏离中心。样品加载到断层扫描台上后，启动自动居中功能。脚本首先将样品移至目标位置（图3B）并旋转至0°。接着，将样品移至90°（图3C）并确定需要将样品移动多少距离才能将其置于旋转中心（COR）上。此过程通常需要约15-20秒。现在样品已位于旋转中心（COR）上图2D），且COR已与相机中心对齐。系统现已准备就绪，可进行断层扫描采集。

在本项NHM昆虫研究中，共进行了128次无需人工干预的断层扫描，总耗时17小时，每次扫描约需8分钟。若不使用机器人，每次断层扫描则需要约20至25分钟。这表明在当前情况下，使用机器人进行断层扫描的速度比人工操作快3至4倍。表2展示了机器人批量扫描结束后生成的典型日志文件，其中包含将每个扫描编号与其对应样本进行关联所需的参数。有关更多细节，请参见表2的图注。

图4 显示了在上述断层扫描实验中以1.25倍和4倍放大倍数成像的其中一个样本（昆虫，昆虫纲 Insecta，鞘翅目 Coleoptera）的归一化投影图像。上排， 图4A- C，显示了使用1.25倍放大倍数成像的样本，随后同一样本使用4倍放大倍数成像，即 图 4D- F. 图4 A–F 显示在 0°、90° 和 180° 采集的投影图像。黄色矩形框表示使用 4 倍物镜采集的放大投影图像的视场（FOV）。需要注意的是，一旦样品被装载到图中所示的托盘上 图1C所有过程均在无人干预的情况下进行。请注意，这两次扫描相隔约 8.5 小时，表明该装置具有良好的稳定性和可重复性。

图5显示前述样本的断层重建切片中的水平或横断面切片 图4. 1.25倍（图 5A) 和 4x（图5B切片图像在未裁剪的情况下进行绘制，分辨率为2510 × 2510像素。切片在视野（FOV）中居中良好，表明可在无需任何物理干预的情况下对更高倍率的区域进行放大观察。

本文展示的结果表明，在同步辐射显微断层扫描实验中引入机器人样品交换系统具有多项显著优势。这些优势包括提高通量、改善运行效率，以及能够在无需人工干预的情况下进行多倍率（逐级放大）扫描。考虑到需要扫描的样品数量，例如本文所介绍的自然历史博物馆（NHM）研究中的情况，若采用手动扫描方式，将无法获得具有统计学意义且一致性的结论。

图1： 安装在I13-2光束线上的机器人及断层扫描实验装置照片。 (A) 机器人（1）及其配套的自制柔性夹持器（2）。(B) 样品装载托盘（3）和断层扫描台（5）。用于将样品对准旋转中心（COR）的光学相机（望远镜相机），标记为（4）。用于测量的探测器系统（6）包含多个可自动切换视场的电动物镜，以及一个pco.edge 5.5探测器。红色虚线箭头表示X射线束的传播方向。(C) 样品装载托盘的照片，包含7个样品框（puck），每个样品框最多可容纳16个安装在样品底座与样品针组合上的样品。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：样品安装方案及柔性夹持器设计的细节。（A）安装在样品底座上的3D打印塑料模拟样品照片，代表柔性夹持器可处理的最大样品包络尺寸。红色箭头指示夹持器夹持样品底座的位置。（B）柔性夹持器的三维设计图。夹持器的指状部分可被驱动以夹紧或释放样品底座。（C）夹持器的垂直剖面图及其尺寸。中心最大开度为8.9 mm，因此允许的最大样品尺寸为≤8 mm。（D）断层扫描台顶部的照片。一根铝制销钉（由蓝色箭头指示）安装在两个正交移动台的顶部。一个磁性圆盘固定在该销钉的顶端，夹持器将样品底座（连同样品）放置于其上。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：使用侧向望远镜相机进行中心旋转轴（COR）对准过程的视频截图。 (A) 对准程序开始前对准针的位置图像。蓝色双头十字中心的红色圆点为目标位置，与断层扫描旋转台的COR重合。插图显示了针尖的放大图像，展示了在高度和宽度方向上检测到的样品中心。 (B) 在0°时将针调整至目标位置。 (C) 针旋转至90°，此时偏离目标位置。 (D) 在90°时将针重新对准目标位置。此时针在两个正交方向上均已对准，因此样品将在相机视野中心旋转。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 4： 使用 1.25x 和 4x 物镜采集的昆虫归一化投影图像。 该昆虫属于昆虫纲（Insecta）、鞘翅目（Coleoptera）。此图展示了共 128 个断层扫描图像中的两个。昆虫被粘附在纸片上，并固定于样品针上。使用 1.25x 物镜采集的投影图像分别为 (A) 0°、(B) 90°、(C) 180°，使用 4x 物镜采集的图像分别为 (D) 0°、(E) 90° 和 (F) 180°。1.25x 与 4x 的断层扫描图像集在一次连续实验中完成采集，期间无人工干预。1.25x 图像组提供了样品的整体视图，而 4x 图像组展示了放大成像能力。请点击此处查看该图的高清版本。

图5．使用两种不同视野获取的相同断层切片的比较。该切片为图4中投影图像经断层重建后所得的单个重建切片，分别对应于（A）1.25倍和(B) 4倍放大倍数。请点击此处查看该图的高清版本。

表1：用户提供的包含断层扫描参数的典型 samples.csv 文件。该文件由用于数据采集的 tomomatic Python 脚本读取。用户需填写 A 列（样品描述）、B 列（载物盘编号）、C 列（载物盘中的插槽位置）、E 列（断层扫描旋转步长）、F 列（荧光图像数量）、G 列（明场图像数量）、H 列（使用的放大倍数）和 K 列（插槽优先级）。D 列（曝光时间）、I 列（样品与相机之间的X射线传播距离）、J 列（相机在光束方向上的移动，以将旋转中心（COR）置于相机中心）和 L 列（样品底座的条形码）则在对准和初步优化后填写。请点击此处下载该表格。

表2：所有样本扫描完成后保存的典型输出日志文件，文件名为Output_file.txt。 该文件报告了所有输入参数，并额外提供了已扫描样本的条形码（M列）、扫描得到的元数据和图像文件的路径（N列），以及用于采集荧光成像（FI）的电机位置（O列）。基本上，此输出文件提供了数据重建与分析所需的关键信息。由于输入文件的A列未提供输入内容，因此该列将填充当前扫描计数，以及样品盒（puck）和针（pin）编号。请点击此处下载该表格。

补充文件1：描述用于将机器人作为样品更换器操作的脚本的伪代码。 该文件概述了自动样品装载、数据矩阵码读取、自动样品对准以及执行断层扫描的流程。请点击此处下载该文件。

补充图1：通用数据采集图形用户界面截图。该界面允许调整相机的基本参数、实时观察样品，并启动断层扫描采集。扫描可通过屏幕上的按钮启动（仅限手动扫描），或通过命令行接口启动，如截图底部中央黄色矩形区域所示。请点击此处下载该文件。

补充图2：SPINE标准载物盘（左侧）和载物盘盖（右侧）的照片。 样品基座安装在以红色标示的针位上，编号从中心固定柱上缺口对面的位置开始。白色标记的数字7267为载物盘的识别编号。可将载物盘盖安装到载物盘上，以在运输或储存期间保护样品。在尝试安装盖子前，请确保样品尺寸兼容。请点击此处下载该文件。

讨论

样品制备和样品对齐是自动样品更换机器人正确且有效工作的两个关键步骤¹¹。样品尺寸和安装要求见第2节（实验方案）。基本要求是样品直径需小于或等于8 mm，并且必须精确地居中于样品底座上¹²。该限制由夹持器的尺寸决定。此外，单次测量中的所有样品必须处于相同的高度，以确保各样品在旋转中心的位置保持一致。如果机器人已为某项实验完成对齐，则除设定样品的兴趣区域外，使用样品更换机器人进行后续实验将完全自动化。这一点在代表性结果部分的图3中有详细说明。同时需要注意的是，此步骤属于由光束线工作人员（本地联系人）执行的对齐流程的一部分。一旦设定完成，所有样品的测量均可在无人干预的情况下运行。从用户角度来看，测量过程完全自动化。截至目前，仅使用Molecular Dimensions Ltd. 提供的样品底座和样品针；然而，也有其他供应商，如MiTeGen和Hampton Research，可提供SPINE标准的样品底座和样品针。

目前，用于夹持直径最大达12 mm样品的大型样品夹持器正在开发和测试中。这将使机器人能够处理更大的样品，例如放置在微量离心管内并安装在样品基座上的样品。改进的夹持器设计可能采用从侧面接近样品的机制，从而消除当前对样品尺寸的限制。此外，升级光束线将使通量提高一个数量级，实现每天扫描超过3,000个样品。这将进一步实现在10天的光束时间中收集包含约30,000个样品的具有统计学意义的数据集。在不久的将来，我们将部署一种名为HTTomo的新型断层扫描重建流程。

需要注意的是，与所有其他同步辐射X射线断层扫描实验一样，诸如光束传播距离（样品到探测器的距离）、曝光时间、投影数量等参数需预先优化。另一个限制是实验中涉及的各个阶段，例如六轴样品操控、断层扫描阶段以及相机操控阶段，在样品装载和卸载时必须处于特定的预设位置。这意味着在进行样品装载和卸载时，需要反复移动这些阶段。

综上所述，借助样品更换机器人可实现高通量断层扫描，使整个过程比手动操作快至少4至10倍，并减少或消除闲置时间。通过机器人实现实验自动化还能更高效地部署人员，因为运行测量所需的人力更少。获取具有统计学意义的数据集对于许多科学领域至关重要，因为在这些领域中，需要可靠且足够数量的数据来支持科学研究。使用机器人可极大助力此类任务的完成。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
气浮旋转台	Aerotech, Inc.	https://www.aerotech.com/wp-content/ 上传/2021/01/abrt-数据表.pdf	断层扫描旋转台
AVIZO	ThermoFisher Scientific		商业数据可视化与分析软件
Cryocap -MiTeGen	MiTeGen LLC	https://www.mitegen.com/product/ 可重复使用测角仪底座样式	替代 CryoCap 供应商
CryoCap-Hampton 研究	汉普顿研究	https://hamptonresearch.com/ product-CrystalCap-SPINE-HT-445.html	替代 CryoCap 供应商
Cryocaps（MD7-401）和Cryopins（MD7-410）	Calibre Scientific	https://www.moleculardimensions.com/ 产品/磁性冻存管与冻存帽	用于样品装载
探测器光学系统	奥林巴斯／Evident 科学仪器	https://evidentscientific.com/zh/objective-finder? creative=651972731238&和关键词 奥林巴斯物镜&匹配类型= e&网络=g&device=c&campaign id=19865307548&adgroupid=144 087466781&gad_source=1&gad_ campaignid=19865307548&gbraid =0AAAAADMIOOmWDa2WC5VP2 Ngxlqao8dyWe&gclid=Cj0KCQiAhtv MBhDBARIsAL26pjFYUqjLVZ1Miz p2W7eGzD2SEPNTjxiA87Dry6un 1Fx6GplHQjuBR94aAs1xEALw_wcB	物镜和摄影目镜
GDA	Diamond Light Source有限公司	https://www.diamond.ac.uk/Users/Experiment 在 Diamond 的 IT 用户指南/软件/数据采集/GDA.html	通用数据采集软件
六足位移台	PI miCos GmbH	https://www.physikinstrumente.co.uk/en/pro 导轨/六轴并联定位器	用于断层扫描对准和样品操作的六轴平台
ImageJ	美国国立卫生研究院、威斯康星大学开发	https://imagej.net/ij/	开源图像处理与可视化软件
pco.edge 5.5 sCMOS 相机	PCO （PCO AG / Excelitas Technologies）	https://www.excelitas.com/product-category/ pco.edge 冷却型 sCMOS 相机	用于断层成像的X射线相机
SAVU	Diamond Light Source有限公司	https://www.diamond.ac.uk/Home.html ;jsessionid=8977FA8A10694BFA2AA DFD5D0D23B320	断层扫描重建流程
闪烁体	CRYTUR, spol. S r.o	https://www.crytur.com/materials/luag-ce/	闪烁体光学系统
通用V1型样品杯（Uni-puck）	Calibre Scientific	https://www.moleculardimensions. com/产品/通用样品架及配件	样品安装在Uni-puck上，以便机器人抓取