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。
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。