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MicroCT原理及應用

瀏覽次數:4643 發布日期:2009-9-22  來源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
 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。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。
 
CT設備的基本分類
 類型
FOV
分辨率
描述
CT
10-60cm
500-1500μm
臨床CT,以人體掃描為主,安裝定量分析軟件即成為QCT(定量CT)。螺旋CT發明以來,掃描速度不斷加快,幾分鐘就可以完成全身掃描。但是受到FOV尺寸和輻射劑量 的影響,難以提高分辨率。
pQCT
5-15cm
50-500μm
四肢定量CT(peripheral Quantitative CT),掃描人體的 四肢,兼可用作臨床診斷和科學研究。pQCT能夠分別分析骨小梁和骨皮質, 并可以進行生物力學分析,準確預測骨折風險,而且不受體位、體型和骨質增生的影響,對骨質疏松的風險評估比DEXA有明顯優勢。
microCT
1-8cm
5-80μm
顯微CT,采用微焦點X線球管,分辨率高,但是成像范圍小,用于科學研究。包括 in vitro(離體)和 in vivo(活體)兩類,前者用于骨骼等標本,后者用于活體小動物掃描。
CTM
0.01-0.5cm
0.1-10μm
CT顯微鏡(X-Ray Computerized Tomography Microscopy),采用同步加速器產生的平行X線成像。分辨率最高,達到亞微米級,但是FOV極小。單能譜X線,成像質量高。
 
 
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MicroCT。MicroCT(也稱為顯微CT、微焦點CT或者微型CT)采用了與普通臨床CT不同的微焦點X線球管,分辨率高達幾個微米,僅次于同步加速X線成像設備的水平,具有良好的“顯微”作用。而高分辨率付出的代價是掃描樣品的體積很小,只有幾個厘米,體現其“微型”的一面。
與臨床CT普遍采用的扇形X線束(Fan Beam)不同的是,MicroCT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,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CT。

                                    MicroCT成像原理
    MicroCT能夠提供的 2 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。
 
MicroCT 2 種基本結構
l    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。
l  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。
 
MicroCT 2 類應用對象
l  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)。
l  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。
 
MicroCT 的主要應用領域
l 骨骼。骨骼是 MicroCT 最主要的應用領域之一,其中骨小梁又是主要研究對象。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,MicroCT 技術在很大程度上取代了破壞性的組織形態計量學方法。
l 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。
l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。
l 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。
l新藥開發。例如,研究新的骨質疏松藥物藥物及療效評價,MicroCT 已經稱為一種重要的臨床前檢測技術。
l 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。
活體小鼠胸腔成像(容積再現)
 

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