Micro-CT原理及应用

Micro-CT原理及应用2010-3-5 来源：北京力途科技有限公司 >>进入该公司展台Micro-CT原理及应用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。

（更多CT应用……）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。

（更多CT技术背景……）CT设备的基本分类（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。

CTM0.01-0.5cm0.1-10μmCT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● 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。

MicroCT 的2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。

MicroCT 的主要应用领域● 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。

● 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。

● 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。

● 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。

● 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。

骨小梁生物材料其它。

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。

活体小鼠胸腔成像（容积再现）以下实验图片是国产小动物Micro-CT系统的实验结果案例，更多信息请咨询北京力途科技有限公司！CT成像重建效果：真实小鼠经过CT重建后结果经伪彩修饰后的三维鼠小鼠CT图小鼠骨骼三维图大鼠骨小梁1大鼠骨小梁2大鼠骨小梁3软件后处理：数据接口：DICOM、JPEG、TIFF、BMP、IM0、RAW等格式图像文件的输入输出二维处理：图像浏览、选择、处理和显示，二维几何变换及测量，连续图像播放等三维处理：三维组织分割，表面模型重建及分层显示，切片重组三维显示：真实感显示，光照参数调节，三维几何变换，三维测量图像分割：提供多种分割方法（Fast Marching, Level Set…）实验图片——以下图片由中山大学肿瘤防治中心提供注射造影剂实验：（采用的造影剂为Fenestra VC）图一：注射造影剂11min后图二：注射造影剂VC 45min后图三：注射造影剂61min后外物植入实验：1．在小鼠体内植入镁条，观察镁条分解情况（图片见下页）A：植入镁条30min后； B：植入镁条4d 后； C：植入镁条 14d 后；2．人肝癌细胞植入实验人肝癌细胞植入14d 后腹部形成肿瘤的小鼠【名词解释】CT值CT值（CT number）是以水的CT值为零，而相对于其他物质X线的衰减值。

例如，空气的CT值为 -1000，而骨密质的CT值为 +1000，人体除骨密质和肺以外，CT值基本在 -100～+100之间。

CT值的标准单位是 HU（Hounsfield）。

组织密度越大，CT值越高。

如果某一组织发生病变而致密度改变，则会影响到CT值的改变，这对CT诊断有很大价值。

BMC 骨矿含量或骨矿物质含量（Bone Mineral Content，BMC），单位是g。

BMD 骨密度或骨矿物质密度（Bone Mineral Density，BMD），2D BMD的单位是g/cm^2，3D BMD 的单位是mg/cc。

BMP 骨形态发生蛋白（Bone Morphogenetic Protein，BMP）是转化生长因子β超家族成员之一，具有诱导未分化的间充质干细胞向成软骨细胞和成骨细胞定向分化与增殖的能力，能促进新骨形成。

BS 骨表面积（Bone Surface，BS），单位是mm^2。

BS/BV 骨表面积和骨体积的比值，单位是1/mm。

BS/TV 骨表面积和组织体积的比值，单位是1/mm。

BV 骨体积（Bone Volume），单位是mm^3。

BV/TV 相对骨体积或骨体积分数，单位是%。

Conn.D. 连接密度（Connectivity Density，Conn.D.），单位是1/mm^3。

Ct.Ar 皮质骨面积（Cortical bone Area，Ct.Ar），单位是mm^2。

Ct.Th 皮质骨厚度（Cortical bone Thickness，Ct.Th），单位是μm。

Ct.Wi 皮质骨宽度（Cortical bone Width，Ct.Wi），单位是μm。

DA 各向异性的程度（Degree of Anisotropy，DA），是ROI平均截距长度椭圆中长径和短径的比值。

在骨质疏松初期，承重骨小梁的DA通常增加，随骨质疏松加剧，DA会减小。

DICOM 医学数字成像和通信标准（Digital Imaging ａnd Communications in Medicine，DICOM）是美国放射学会（American College of Radiology，ACR）和国家电子制造商协会（National Electrical ManufactorersAssociation，NEMA）为主制定的用于数字化医学影像传送、显示与存储的标准。

在, DICOM标准中详细定义了影像及其相关信息的组成格式和交换方法，利用这个标准，人们可以在影像设备上建立一个接口来完成影像数据的输入/输出工作。

DICOM标准以计算机网络的工业化标准为基础，它能帮助更有效地在医学影像设备之间传输交换数字影像，这些设备不仅包括CT、MR、核医学和超声检查，而且还包括CR、胶片数字化系统、视频采集系统和 HIS/RIS 信息管理系统等。

该标准1985年产生，目前版本为2003年发布的DICOM 3.0 2003版本。

Distance Transformation距离变换（distance transformation）是定量分析骨小梁的方法之一，该方法可以计算样品中的每一个体素与最近的骨骼-空气介面（背景）之间的距离。

计算得到的距离可以采用以该体素为中心、距离为半径的球体来直观地表示，从图片上看，该球体恰好位于该结构内部。

计算过程中，通过大球体替代其内部小球体的方法去处多余的球体。

由该方法计算得到的Tb.N、Tb.Th和Tb.Sp是最为广泛采用的。

该方法的详细内容参见瑞士苏黎世大学发表的论文：A new method for the model-independent assessment of thickness in three-dimensional images. J Microsc, 1997; 185:67-75FOV 视野或检查野（Field of View，FOV），是CT等成像设备的重要性能参数之一，用于衡量成像设备能够进行有效成像的空间尺寸。

HA 羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA），是组成骨骼的主要物质。

目前，通常在体模内置入已知密度的 HA，用于校准 CT 值。

HU HU（Hounsfield Units）是CT值的单位，以 CT 的发明人Godfrey Newbold Hounsfield 的名字命名，念作“胡”。

IPL 图像处理语言（Image Processing Language，IPL）是 SCANCO 的MicroCT 设备软件中的高级图像处理语言，由 SCANCO 的专家 AndresLaib 编写。