Micro-CT技术 Micro-CT 原理及应用.doc

Micro-CT 原理及应用 1、Micro-CT简介 Micro-CT，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10μm。 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。成像的整体思路如下： 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. Hounsfield 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（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 CT 10-60cm 500-1500μm 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 50-500μm 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 5-80μm 显微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 0.1-10μm CT 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、大鼠或兔等活体小动物，将其麻醉或固定