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MicroCT原理及应用

2020.7.20

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。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。 CT设备的基本分类

类型	FOV	分辨率	描述
CT	10-1500px	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	5-375px	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。
microCT	1-200px	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	0.01-12.5px	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。

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MicroCT。MicroCT（也称为显微CT、微焦点CT或者微型CT）采用了与普通临床CT不同的微焦点X线球管，分辨率高达几个微米，仅次于同步加速X线成像设备的水平，具有良好的“显微”作用。而高分辨率付出的代价是扫描样品的体积很小，只有几个厘米，体现其“微型”的一面。与临床CT普遍采用的扇形X线束（Fan Beam）不同的是，MicroCT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，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CT。

MicroCT成像原理 MicroCT能够提供的 2 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。 MicroCT 的 2 种基本结构 l 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。 l 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。　 MicroCT 的 2 类应用对象 l 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）。 l 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。 MicroCT 的主要应用领域
l 骨骼。骨骼是 MicroCT 最主要的应用领域之一，其中骨小梁又是主要研究对象。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，MicroCT 技术在很大程度上取代了破坏性的组织形态计量学方法。 l 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。 l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。 l 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。 l新药开发。例如，研究新的骨质疏松药物药物及疗效评价，MicroCT 已经称为一种重要的临床前检测技术。 l 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。