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MicroCT原理及應(yīng)用

瀏覽次數(shù):4551 發(fā)布日期:2009-9-22  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
 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。

最為人們所熟知的 CT 是應(yīng)用于臨床檢查的醫(yī)學(xué) CT,第一幅 CT 圖片顯示的就是頭顱影像。經(jīng)過40多年的發(fā)展,Hounsfield 發(fā)明的速度極慢的平移式筆形束CT已經(jīng)發(fā)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(shè)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(fā)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(xué)研究。pQCT能夠分別分析骨小梁和骨皮質(zhì), 并可以進(jìn)行生物力學(xué)分析,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)骨折風(fēng)險(xiǎn),而且不受體位、體型和骨質(zhì)增生的影響,對(duì)骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估比DEXA有明顯優(yōu)勢(shì)。
microCT
1-8cm
5-80μm
顯微CT,采用微焦點(diǎn)X線球管,分辨率高,但是成像范圍小,用于科學(xué)研究。包括 in vitro(離體)和 in vivo(活體)兩類,前者用于骨骼等標(biāo)本,后者用于活體小動(dòng)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(chǎn)生的平行X線成像。分辨率最高,達(dá)到亞微米級(jí),但是FOV極小。單能譜X線,成像質(zhì)量高。
 
 
1980年代,由于普通CT無法滿足科學(xué)研究對(duì)分辨率的苛刻要求,學(xué)術(shù)界開始研發(fā)顯微CT,即MicroCT。MicroCT(也稱為顯微CT、微焦點(diǎn)CT或者微型CT)采用了與普通臨床CT不同的微焦點(diǎn)X線球管,分辨率高達(dá)幾個(gè)微米,僅次于同步加速X線成像設(shè)備的水平,具有良好的“顯微”作用。而高分辨率付出的代價(jià)是掃描樣品的體積很小,只有幾個(gè)厘米,體現(xiàn)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(shí)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(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 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 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。
活體小鼠胸腔成像(容積再現(xiàn))
 

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