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micro-ct 原理及应用

时间:2015-08-29来源:本站作者:玉研仪器

1micro-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  —— 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 普遍采用的扇形线束(fan beam)不同的是,micro-ct 通常采用锥形线束(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 ct64 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ctperipheral 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线成像。分辨率最高,达到亚微米级,但是fov 极小。单能谱线,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 种基本结构

 样品静止,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,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 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。 

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)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。