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  • 發布時間:2019-11-11 13:00 原文鏈接: MicroCT原理及應用

    1. Micro-CT簡介

    Micro-CT(micro computed tomography,微計算機斷層掃描技術),也稱為顯微CT、微焦點CT或者微型CT。它是采用了與普通臨床CT不同的微焦點X線球管,對活體小動物或多種硬組織和相關軟組織進行掃描成像分析的技術,它的分辨率高達幾微米,僅次于同步加速X線成像設備水平,具有良好的“顯微”作用,掃描層厚可達10 μm。該技術是一種非破壞性的3D成像技術,可以在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內部顯微結構。它與普通臨床的CT最大的差別在于分辨率極高,可以達到微米(μm)級別,目前國內一家自主研發Micro-CT的公司已經將分辨率提高到0.5 μm,具有良好的“顯微”作用。Micro-CT可用于醫學、藥學、生物、考古、材料、電子、地質學等領域的研究。

    通過Micro-CT技術,可以動態分析活體動物內相關組織的形態特征,并在對樣本掃描的基礎上,進行組織三維重建、骨形態學分析等,同時可通過軟件進行3D圖像高級處理、力學分析等相關分析。

    2. Micro-CT成像原理

    Micro-CT成像原理是采用微焦點X線球管對小動物各個部位的層面進行掃描投射,由探測器接受透過該層面的X射線,轉變為可見光后,由光電轉換器轉變為電信號,再經模擬/數字轉換器轉為數字信號,輸入計算機進行成像。成像的整體思路如下:

    當X-射線透過樣本時,樣本的各個部位對X-射線的吸收率不同。X-射線源發射X-射線,穿透樣本,最終在X-射線檢測器上成像。對樣本進行180 °以上的不同角度成像,由舜百生物所使用的Micro-CT機器可以對樣本進行360 °以上的不同角度成像。采用錐形束不僅能夠獲得真正各向同性的容積圖像,提高空間分辨率,提高射線利用率,而且在采集相同3D圖像時速度遠遠快于扇形束。通過計算機軟件,將每個角度的圖像進行重構,還原成在電腦中可分析的3D圖像。通過軟件:觀察樣本內部的各個截面的信息;對樣本感興趣部分進行2D和3D分析;還可以制作直觀的3D動畫等。

    3. Micro-CT技術的發展歷程

    1895 年,Wilhelm C. Roentgen 發現了 X 射線,并為夫人拍下了世界上第一張 X 片 —— 戴戒指的手掌照片。

    1967 年,Godfrey N. Hounsfield 發明了第一臺 CT 設備,能夠從多個角度攝片,采集被攝物體的三維信息,在不破壞物體的情況下觀察其內部結構。

    1970 年代,醫院開始使用CT 診斷疾病。

    1980年代,由于普通CT無法滿足科學研究對分辨率的苛刻要求,學術界開始研發顯微CT,即Micro-CT。與臨床CT 普遍采用的扇形X 線束(Fan Beam)不同的是,Micro-CT 通常采用錐形X 線束(Cone Beam)。采用錐形束不僅能夠獲得真正各向同性的容積圖像,提高空間分辨率和射線利用率,而且在采集相同 3D 圖像時速度遠遠快于扇形束CT。

    數十年來,這一偉大技術已經廣泛應用于各種領域,例如醫學(組織器官、生理代謝過程成像)、藥學(藥效檢測、新藥開發)、材料學(新材料的開發)、工業(各種器件的質檢和探傷)、農業(木材和種子的質檢和分析)、工程(建筑材料內部孔隙度、連通度和滲透性分析)、珠寶(真偽識別和最佳切割方案設計)、考古(化石的結構和成分分析)等領域。

    最為人們所熟知的 CT 是應用于臨床檢查的醫學 CT,第一幅 CT 圖片顯示的就是頭顱影像。

    經過 40 多年的發展,Hounsfield 發明的速度極慢的平移式筆形束CT 已經發展成為種類繁多的CT 家族,例如螺旋 CT、64 排容積 CT、定量 CT。

    4. Micro-CT功能、結構及應用對象

    (1)Micro-CT 能夠提供的兩類基本信息:

    幾何信息和結構信息。前者包括樣品的尺寸、體積和各點的空間坐標,后者包括樣品的衰減值、密度和多孔性等材料學信息。除此之外,SCANCO 的有限元分析功能,還能夠提供受檢材料的彈性模量、泊松比等力學參數,分析樣品的應力應變情況,進行非破壞性的力學測試。

    (2)Micro-CT 的兩種基本結構

    樣品靜止,X 線球管和探測器運動:這種結構和臨床螺旋CT 一致,球管繞樣品旋轉。掃描速度快,射線劑量小,空間分辨率較低,多用于活體動物掃描。

    樣品運動,X 線球管和探測器固定:樣品在球管和探測器之間自旋,并可做上下和前后移動。掃描速度較慢,射線劑量大,空間分辨率高,多用于離體標本掃描。

    (3)MicroCT 的兩類應用對象

    活體(in vivo):研究對象通常為小鼠、大鼠或兔等活體小動物,將其麻醉或固定后掃描。可以實現生理代謝功能的縱向研究,顯著減少動物試驗所需的動物數量。和醫學臨床 CT 類似,活體小動物 MicroCT 也能夠進行呼吸門控和增強掃描(采用造影劑)。

    離體(in vitro):研究對象通常為離體標本(例如骨骼、牙齒)或各種材質的樣品,分析內部結構和力學特性。也可以使用凝固型造影劑灌注活體動物,對心血管系統、泌尿系統或消化系統進行精細成像。關于這塊舜百生物做的比較好些,圖像分辨率高。

    5. Micro-CT 的主要應用領域

    (1)骨骼

    骨骼是 Micro-CT 最主要應用領域之一,其中骨小梁是主要研究對象。骨松質和骨皮質的變化與骨質疏松、骨折、骨關節炎、局部缺血和遺傳疾病等病癥有關。目前,Micro-CT 技術在很大程度上取代了破壞性的組織形態計量學方法。

    2)牙齒及牙周組織

    能夠從 3D 整體結構出發,對根管形態改變、齲齒破壞、牙組織密度變化、牙槽骨結構和力學特性的變化等情況進行研究。

    (3)生物材料

    例如, 分析體外制備仿生材料支架的孔隙率、強度等參數,優化支架設計;掃描需要置換的組織樣品,獲取三維圖像后輸出為 STL 文件進行快速成形(CAD/CAM),等等。

    (4)疾病機制研究

    例如,研究不同基因或信號通路對骨骼的數量或質量的影響,疾病狀態對骨骼發育/修復的影響,評價高脂血癥對心臟瓣膜鈣化的影響,細胞因子對骨折后組織修復時血管生長的影響,等等。

    (5)新藥開發

    例如,研究新的骨質疏松藥物及療效評價,Micro-CT 已經成為一種重要的臨床前檢測技術。

    (6)電子材料

    半導體材料和結構等。

    (7)地質學研究

    地質分布、磚石等。

    (8)木材、紙、植物種子等研究

    (9)其它

    微型器件的質檢和探傷,建筑材料內部孔隙度、連通度和滲透性分析,珠寶的真偽識別和最佳切割方案設計,以及化石結構分析等。醫療器械材料(如心臟支架、腦血管支架等);其他材料(如水泥材料、纖維材料等)


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