1、Micro-CT 原理及应用1、Micro-CT 简介 Micro-CT（micro computed tomography，微计算机断层扫描技术） ，也称为显微 CT、微焦点 CT 或者微型 CT。它是采用了与普通临床 CT 不同的微焦点 X 线球管，对活体小动物或多种硬组织和相关软组织进行扫描成像分析的技术，它的分辨率高达几微米，仅次于同步加速 X 线成像设备水平，具有良好的“显微”作用，扫描层厚可达 10m。该技术是一种非破坏性的 3D 成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构。它与普通临床的CT 最大的差别在于分辨率极高，可以达到微米（ m）级别，目前国内一家自主研
2、发 Micro-CT 的公司已经将分辨率提高到 0.5m，具有良好的“显微”作用。Micro-CT 可用于医学、药学、生物、考古、材料、电子、地质学等领域的研究。 通过 Micro-CT 技术，可以动态分析活体动物内相关组织的形态特征，并在对样本扫描的基础上，进行组织三维重建、骨形态学分析等，同时可通过软件进行 3D 图像高级处理、力学分析等相关分析。2、Micro-CT 成像原理Micro-CT 成像原理是采用微焦点 X 线球管对小动物各个部位的层面进行扫描投射，由探测器接受透过该层面的 X 射线，转变为可见光后，由光电转换器转变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，输入计算机进行成像
3、。成像的整体思路如下：micro-CT成 像 原 理1. X线 球 管2. 样 品5. 断 层3. 投 射4. 各 个 角 度 的 透 射6. 三 维 再 现重 建 为 容 积 图 像重 建 算 法线 球 管样 品断 层投 射各 个 角 度 的 透 射三 维 再 现重 建 为 容 积 图 像重 建 算 法线 球 管样 品断 层投 射各 个 角 度 的 透 射三 维 再 现重 建 为 容 积 图 像重 建 算 法当 X-射线透过样本时，样本的各个部位对 X-射线的吸收率不同。X-射线源发射 X-射线，穿透样本，最终在 X-射线检测器上成像。对样本进行 180以上的不同角度成像，由舜百生物所使用的
4、 Micro-CT 机器可以对样本进行 360以上的不同角度成像。采用锥形束不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率，提高射线利用率，而且在采集相同 3D 图像时速度远远快于扇形束。通过计算机软件，将每个角度的图像进行重构，还原成在电脑中可分析的 3D 图像。通过软件：观察样本内部的各个截面的信息；对样本感兴趣部分进行 2D 和 3D 分析；还可以制作直观的 3D 动画等。 3、Micro-CT 技术的发展历程1895 年， Wilhelm C. Roentgen 发现了 X 射线，并为夫人拍下了世界上第一张 X 片 戴戒指的手掌照片。1967 年，Godfrey N. Hounsf
5、ield 发明了第一台 CT 设备，能够从多个角度摄片，采集被摄物体的三维信息，在不破坏物体的情况下观察其内部结构。1970 年代，医院开始使用 CT 诊断疾病。1980 年代，由于普通 CT 无法满足科学研究对分辨率的苛刻要求，学术界开始研发显微 CT，即 Micro-CT。与临床 CT 普遍采用的扇形 X 线束（Fan Beam）不同的是， Micro-CT 通常采用锥形 X 线束（Cone Beam） 。采用锥形束不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率和射线利用率，而且在采集相同 3D 图像时速度远远快于扇形束 CT。 数十年来，这一伟大技术已经广泛应用于各种领域，例如医学（
6、组织器官、生理代谢过程成像） 、药学（药效检测、新药开发） 、材料学（新材料的开发） 、工业（各种器件的质检和探伤） 、农业（木材和种子的质检和分析） 、工程（建筑材料内部孔隙度、连通度和渗透性分析） 、珠宝（真伪识别和最佳切割方案设计） 、考古（化石的结构和成分分析）等领域。最为人们所熟知的 CT 是应用于临床检查的医学 CT，第一幅 CT 图片显示的就是头颅影像。经过 40 多年的发展，Hounsfield 发明的速度极慢的平移式笔形束 CT 已经发展成为种类繁多的 CT 家族，例如螺旋 CT、64 排容积 CT、定量 CT。4、CT 设备的基本分类类型 视野范围(FOV) 分辨率 描述C
7、T 10-60cm 500-1500m临床 CT，以人体扫描为主，安装定量分析软件即成为 QCT（定量 CT） 。螺旋 CT 发明以来，扫描速度不断加快，几分钟就可以完成全身扫描。但是受到FOV 尺寸和辐射剂量的影响，难以提高分辨率。pQCT 5-15cm 50-500m四肢定量 CT（peripheral Quantitative CT） ，扫描人体的四肢，兼可用作临床诊断和科学研究。pQCT 能够分别分析骨小梁和骨皮质， 并可以进行生物力学分析，准确预测骨折风险，而且不受体位、体型和骨质增生的影响，对骨质疏松的风险评估比 DEXA 有明显优势。Micro-CT 1-8cm 5-80m显微
8、CT，采用微焦点 X 线球管，分辨率高，但是成像范围小，用于科学研究。包括 in vitro （离体）和 in vivo（活体）两类，前者用于骨骼等标本，后者用于活体小动物扫描。CTM 0.01-0.5cm 0.1-10mCT 显微镜（X-Ray Computerized Tomography Microscopy） ，采用同步加速器产生的平行 X 线成像。分辨率最高，达到亚微米级，但是 FOV 极小。单能谱 X 线，成像质量高。5、Micro-CT 功能、结构及应用对象（1）Micro-CT 能够提供的两类基本信息：几何信息和结构信息。前者包括样品的尺寸、体积和各点的空间坐标，后者包括样品的
9、衰减值、密度和多孔性等材料学信息。除此之外，SCANCO 的有限元分析功能，还能够提供受检材料的弹性模量、泊松比等力学参数，分析样品的应力应变情况，进行非破坏性的力学测试。 （2）Micro-CT 的两种基本结构样品静止，X 线球管和探测器运动：这种结构和临床螺旋 CT 一致，球管绕样品旋转。扫描速度快，射线剂量小，空间分辨率较低，多用于活体动物扫描。 样品运动，X 线球管和探测器固定：样品在球管和探测器之间自旋，并可做上下和前后移动。扫描速度较慢，射线剂量大，空间分辨率高，多用于离体标本扫描。 （3）MicroCT 的两类应用对象 活体（in vivo）：研究对象通常为小鼠、大鼠或兔等活体小
10、动物，将其麻醉或固定后扫描。可以实现生理代谢功能的纵向研究，显著减少动物试验所需的动物数量。和医学临床 CT 类似，活体小动物 MicroCT 也能够进行呼吸门控和增强扫描（采用造影剂） 。 离体（in vitro）：研究对象通常为离体标本（例如骨骼、牙齿）或各种材质的样品，分析内部结构和力学特性。也可以使用凝固型造影剂灌注活体动物，对心血管系统、泌尿系统或消化系统进行精细成像。关于这块舜百生物做的比较好些，图像分辨率高。6、Micro-CT 的主要应用领域 （1）骨骼骨骼是 Micro-CT 最主要应用领域之一，其中骨小梁是主要研究对象。骨松质和骨皮质的变化与骨质疏松、骨折、骨关节炎、局部缺
11、血和遗传疾病等病症有关。目前，Micro-CT 技术在很大程度上取代了破坏性的组织形态计量学方法。 （2）牙齿及牙周组织能够从 3D 整体结构出发，对根管形态改变、龋齿破坏、牙组织密度变化、牙槽骨结构和力学特性的变化等情况进行研究。 （3）生物材料例如， 分析体外制备仿生材料支架的孔隙率、强度等参数，优化支架设计；扫描需要置换的组织样品，获取三维图像后输出为 STL 文件进行快速成形（CAD/CAM ） ，等等。 （4）疾病机制研究例如，研究不同基因或信号通路对骨骼的数量或质量的影响，疾病状态对骨骼发育/修复的影响，评价高脂血症对心脏瓣膜钙化的影响，细胞因子对骨折后组织修复时血管生长的影响，等等。（5）新药开发例如，研究新的骨质疏松药物及疗效评价，Micro-CT 已经成为一种重要的临床前检测技术。 （6）电子材料半导体材料和结构等。（7）地质学研究地质分布、砖石等。（8）木材、纸、植物种子等研究（9）其它微型器件的质检和探伤，建筑材料内部孔隙度、连通度和渗透性分析，珠宝的真伪识别和最佳切割方案设计，以及化石结构分析等。医疗器械材料（如心脏支架、脑血管支架等） ；其他材料（如水泥材料、纤维材料等）
