1895年,Wilhelm C. Roentgen 發(fā)現(xiàn)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(fā)明了第一臺(tái) CT 設(shè)備,能夠從多個(gè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。1970年代,醫(yī)院開始使用CT診斷疾病。數(shù)十年來,這一偉大技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,例如醫(yī)學(xué)(組織器官、生理代謝過程成像)、藥學(xué)(藥效檢測(cè)、新藥開發(fā))、材料學(xué)(新材料的開發(fā))、工業(yè)(各種器件的質(zhì)檢和探傷)、農(nóng)業(yè)(木材和種子的質(zhì)檢和分析)、工程(建筑材料內(nèi)部孔隙度、連通度和滲透性分析)、珠寶(真?zhèn)巫R(shí)別和最佳切割方案設(shè)計(jì))、考古(化石的結(jié)構(gòu)和成分分析)等領(lǐng)域。
MicroCT成像原理
MicroCT能夠提供的 2 類基本信息:幾何信息和結(jié)構(gòu)信息。前者包括樣品的尺寸、體積和各點(diǎn)的空間坐標(biāo),后者包括樣品的衰減值、密度和多孔性等材料學(xué)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(xué)參數(shù),分析樣品的應(yīng)力應(yīng)變情況,進(jìn)行非破壞性的力學(xué)測(cè)試。
MicroCT 的 2 種基本結(jié)構(gòu)
l 樣品靜止,X線球管和探測(cè)器運(yùn)動(dòng):這種結(jié)構(gòu)和臨床螺旋CT一致, 球管繞樣品旋轉(zhuǎn)。掃描速度快,射線劑量小,空間分辨率較低,多用于活體動(dòng)物掃描。
l 樣品運(yùn)動(dòng),X線球管和探測(cè)器固定:樣品在球管和探測(cè)器之間自旋,并可做上下和前后移動(dòng)。掃描速度較慢,射線劑量大,空間分辨率高,多用于離體標(biāo)本掃描。
MicroCT 的 2 類應(yīng)用對(duì)象
l 活體(in vivo):研究對(duì)象通常為小鼠、大鼠或兔等活體小動(dòng)物,將其麻醉或固定后掃描?梢詫(shí)現(xiàn)生理代謝功能的縱向研究,顯著減少動(dòng)物試驗(yàn)所需的動(dòng)物數(shù)量。和醫(yī)學(xué)臨床CT類似,活體小動(dòng)物 MicroCT 也能夠進(jìn)行呼吸門控和增強(qiáng)掃描(采用造影劑)。
l 離體(in vitro):研究對(duì)象通常為離體標(biāo)本(例如骨骼、牙齒)或各種材質(zhì)的樣品,分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。也可以使用凝固型造影劑灌注活體動(dòng)物,對(duì)心血管系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)或消化系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)成像。
MicroCT 的主要應(yīng)用領(lǐng)域
l 骨骼。骨骼是 MicroCT 最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一,其中骨小梁又是主要研究對(duì)象。骨松質(zhì)和骨皮質(zhì)的變化與骨質(zhì)疏松、骨折、骨關(guān)節(jié)炎、局部缺血和遺傳疾病等病癥有關(guān)。目前,MicroCT 技術(shù)在很大程度上取代了破壞性的組織形態(tài)計(jì)量學(xué)方法。
l 牙齒及牙周組織。 能夠從 3D 整體結(jié)構(gòu)出發(fā),對(duì)根管形態(tài)改變、齲齒破壞、牙組織密度變化、牙槽骨結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的變化等情況進(jìn)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(qiáng)度等參數(shù),優(yōu)化支架設(shè)計(jì);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(jìn)行快速成形(CAD/CAM),等等。
l 疾病機(jī)制研究。例如,研究不同基因或信號(hào)通路對(duì)骨骼的數(shù)量或質(zhì)量的影響,疾病狀態(tài)對(duì)骨骼發(fā)育/修復(fù)的影響,評(píng)價(jià)高脂血癥對(duì)心臟瓣膜鈣化的影響,細(xì)胞因子對(duì)骨折后組織修復(fù)時(shí)血管生長(zhǎng)的影響,等等。
l新藥開發(fā)。例如,研究新的骨質(zhì)疏松藥物藥物及療效評(píng)價(jià),MicroCT 已經(jīng)稱為一種重要的臨床前檢測(cè)技術(shù)。
l 其它。微型器件的質(zhì)檢和探傷,建筑材料內(nèi)部孔隙度、連通度和滲透性分析,珠寶的真?zhèn)巫R(shí)別和最佳切割方案設(shè)計(jì),以及化石結(jié)構(gòu)分析等。