2.3 Micro-CT技术

生理学、生物化学与分子生物学的研究表明，许多小动物的生理生化代谢运转与人类接近，其基因组与人类基因组同源性很高，所以常在生物医学新药、新疗法及生理病理学研究等方面采用小动物模型作为研究对象，小动物已经成为遗传学基因、疾病诊治以及药物开发等研究领域最基本的研究工具之一。

为了能够对小动物进行无创伤的活体研究，减少小动物的使用数量，怎样无创伤、非侵入地准确获取小动物的解剖结构、分子和功能信息成为各种活体小动物成像系统的终极目标。目前，人们开发了一系列专门用于小动物研究的高分辨率成像技术，包括X射线微型CT（X-ray micro computed tomography，Micro-CT）、Micro-PET、Micro-SPECT、Micro-MRI等。本节重点讨论Micro-CT设计中应考虑的主要问题。

2.3.1 Micro-CT的性能特点

尽管从成像的基本原理看Micro-CT与普通的临床医用CT是基本一样的，但对小动物成像必须考虑其特别要求。一般来说，由于小动物体形不大，心脏通常很小且跳动较快，小动物成像通常要求更高的空间分辨率和时间分辨率。如果希望小鼠的CT成像达到人体心脏CT成像那样的器官定义和时间分辨水平，则需要将CT的时间分辨率和空间体分辨率分别提高10倍和3000倍。表2.5给出了临床医用多排螺旋CT与Micro-CT的典型参数对比。与临床使用的CT设备相比，Micro-CT系统一般有以下几个特点：

①系统的空间分辨率高。Micro-CT的空间分辨率一般在几十微米到几微米范围，比目前临床CT所能达到的零点几个毫米要高出1～2个数量级。活体小动物成像系统通常采用稍低的空间分辨率，一般为几十微米，因为极高分辨率要求全身大剂量辐射，动物可能不耐受。

②为了保证系统的空间分辨率在微米量级，采用焦点小、管电压低、管电流小的X射线管，焦点大小一般小于100μm；采用空间分辨率高的平板探测器较常见，像素数多、像元尺寸小。

③既能对活体小动物进行横向比较研究，也适合对同一个活体小动物样品进行纵向研究。能够方便地与其他成像模式融合，从而方便地同时获取小动物的解剖结构和功能信息。

④扫描速度慢，成像视野小。Micro-CT的成像区域一般在15～80mm范围。

⑤由于系统具有非常高的空间分辨率，因此对系统扫描机械精度和稳定性的要求也更高。通常，机械装置的稳定性和精度误差应该小于设计分辨率的几分之一，比如旋转系统复位精度应达到小于0.005°。

⑥使用门控技术可最大限度地减少心脏搏动伪影及呼吸运动伪影。

⑦与临床CT一样，Micro-CT所成图像也会出现射束硬化等多种伪影，需要软硬件联合校正。

⑧软组织对比度较差，采用造影剂可提高图像对比度。

Micro-CT以往主要用来定量测量、评价骨密度及骨结构，进行骨肿瘤监测，近年来，Micro-CT越来越多地用于其他领域的研究，如原发性肿瘤及转移灶的评估、脉管系统成像、转基因表型的鉴定、血管提取等。另外，Micro-CT还可以与其他成像模态（如核素成像、光学成像等）融合，实现多模态成像。

2.3.2 Micro-CT系统硬件结构

与临床医用CT的结构基本一致，Micro-CT系统也是由X射线管、X射线探测器和机械扫描结构等三个部分组成，并由一台计算机作为控制处理单元实现系统的整体控制。

1.Micro-CT的X射线管

用于Micro-CT的典型射线管的主要技术参数如表2.6所示。

选择X射线管的其他要点包括：

①由于X射线束的宽频谱特性，通常要在射线出口处用0.5～1.0mm铝当量的滤过片滤除软X射线，降低射束硬化伪影。

②构建Micro-CT所用的射线管，其焦点大小通常仅为几微米或几十微米，而X射线管的焦点大小与射线管的最大功率间存在如下的近似关系

Pmax=1.44F0.88 （2-8）

这里F代表焦点尺度，单位是μm；Pmax代表射线管的最大功率，单位是瓦（W）。由此，Micro-CT所用的射线管其功率通常很小，一般不大于100W，最大管电流一般不大于2mA。

③Micro-CT系统中射线管的焦点过小导致最大管电流不是足够大。而为了使得射线探测器接收到足够的光子用于成像，必须通过增加剂量积分时间或多帧叠加来弥补，这会导致成像时间过长。一般Micro-CT系统完成一次扫描时间通常在数分钟甚至数十分钟，如果要对动物的心脏或其他运动物体成像是很困难的。增加呼吸和心跳门控装置，是解决运动物体成像的有效途径之一。

2.Micro-CT的X射线探测器

除了X射线管，X射线探测器的性能也会显著影响Micro-CT系统的性能。为了达到Micro-CT的设计目标，需要对探测器的像元大小、动态范围、量子效率、输出线性度、成像面积、暗电流、读出噪声等多项指标进行综合考虑。目前，用于Micro-CT的X射线探测器通常有三类：非晶硅（a-Si）探测器、CCD探测器和CMOS（complementary metal-oxide semiconductor）探测器。

基于CCD的探测器像素尺寸从几个微米到上百微米不等，基于CMOS的平板探测器像素尺寸通常在50～200μm范围，而非晶硅平板通常像素尺寸在100～400μm。如果单纯从像素尺寸方面考虑CMOS平板和CCD探测器更适合于高分辨成像，基于非晶硅的探测器则需要在高几何放大倍数条件下实现高分辨率成像。

综合来看，a-Si探测器的有效成像面积比较大，帧频相对来说比较高，更适合于快速成像，但其对射线的敏感度较低，空间分辨率也不高，像素大于100μm，价格昂贵；基于CCD的探测器空间分辨率高、动态范围大、噪声低、灵敏度高，但其存在几何失真、侧向失真等问题，而且很难实现大面积高质量成像；基于CMOS的探测器空间分辨率、动态范围、噪声、灵敏度等方面都比CCD稍差，但其性价比高，还具有高的填允因子和几乎没有图像拖影（image lag）的优点，有效成像面积大，但因其对射线敏感导致的老化问题会大大降低成像品质。表2.7给出了一个典型的Micro-CT使用的平板探测器的部分参数。

3.Micro-CT的机械扫描机构

Micro-CT的机械扫描机构负责将X射线管、射线探测器等固定起来，实现按一定模式对受检体的多角度扫描。除了X射线管、射线探测器和扫描机构，系统还包括一个用于信号采集控制和图像重建的主计算机。主计算机控制X光源的开关，负责探测器的数据采集，并向电机驱动器发送控制指令。依据受检小动物是否旋转，目前研制的Micro-CT系统可分为小动物旋转扫描结构静止型和小动物静止扫描结构旋转型两类不同的扫描模式。

（1）小动物旋转扫描结构静止型

小动物旋转扫描结构静止型是指X射线管和射线探测器固定不动，受检体被固定在一个电控旋转载物台上，旋转载物台在电机旋转带动下360°转动，微焦点射线管由主计算机控制，设置所需要的管电压和管电流的数值，由此实现对受检体的多角度扫描。图2.35（a）形象说明了这个类型Micro-CT的扫描原理。

在小动物旋转扫描结构静止型扫描模式下，置于平台上的受检小动物在X射线管与探测器之间旋转，并控制平台做上下、前后和左右移动，以调节视野和放大倍数。该扫描模式扫描速度较慢，射线剂量大，空间分辨率高，成像过程中受检体需要转动，对于刚性受检体来说是非常理想的成像方法，但对于软体小动物样本旋转运动会造成形变，在图像重建过程中会产生运动伪迹。另外，对于活体小动物成像时则需要用圆筒包夹住样本，使得小动物的外形迥异于其自然形态。

（2）小动物静止扫描结构旋转型

与临床医学使用的CT扫描模式类似，小动物静止扫描结构旋转型Micro-CT扫描模式中，受检小动物（通常是在麻醉状态下）不动，X射线管和射线探测器被固定在一个可旋转的架子上，该架子在旋转电机的带动下围绕被测小动物转动，实现多角度扫描。图2.35（b）形象说明了这个类型Micro-CT的扫描原理。

小动物静止扫描结构旋转型扫描模式虽然增加了整个系统的机械设计难度，但是保持了小动物的自然形态，便于消除运动伪影，这为获取更为理想的活体小动物影像创造了有利条件。两类不同扫描模式的优缺点比较参见表2.8所示。

2.3.3 数据处理与发展趋势

1.Micro-CT的数据处理

Micro-CT的数据处理既有与临床医学CT类似的地方，也有其特殊性。Micro-CT的数据处理主要包括两个内容：数据预处理和三维重建。

（1）数据预处理

Micro-CT的投影数据必须经过必要的预处理才能进行三维重建，否则会产生重建伪影。主要的数据预处理内容包括：探测器的暗场去除、探测器响应一致性校正，以及探测器坏点补偿等。

①暗场的产生于消除。射线探测器的暗场主要是由探测器的直流偏置和暗电流形成的。作为电子器件，X射线探测器即使在没有X射线照射情况下也会有一定的输出，即探测器的直流偏置；而探测器的暗电流是由器件的电子热噪声引起的，探测器的温度越低，暗电流越小。用低温制冷技术（如液氮制冷）使得探测器处于比较低的温度，可以一定程度地减少暗电流。

为了消除探测器的直流偏置和暗电流形成的暗场，可在进行正式的投影数据采集之前先采集多帧暗场数据，然后取平均值以降低噪声波动引起影响，后续采集的扫描投影数据减去该暗场数据即可实现暗场校正。

②探测器坏点补偿。参见图2.33所示坏点甄别与补偿方法。

（2）三维重建图像

三维重建多使用著名的FDK算法实现，这里略去重建细节。图2.36为参考文献［5］实现的小鼠三维重建结果，其中图（a）图、（b）图和（c）图分别是重建的横断面、矢状面和冠状面，图（d）是基于图像分割的小鼠骨骼并三维显示的结果。

实现上图重建的软硬件条件是：

①小动物旋转扫描结构静止型扫描机械结构，扫描时SDD为498mm，SOD为383mm，这样，系统的几何放大倍数为1.30。

②X射线管的焦点小于20μm，管电压50kVp，管电流为1.2mA，光源输出口使用0.5mm的均匀铝片滤除软X射线；平板探测器的帧频为2fps。

③360°圆周均匀采集500个投影，每个投影的积分时间为0.6s，为了提高信噪比，对每帧投影数据进行2×2的像素拼合，拼合后的有效像素个数为1120×1172个，像素大小为0.1mm×0.1mm。

④使用图形处理器（GPU）加速的FDK重建算法实现3D重建，重建图像大小为512×512×512，体素大小为0.10mm×0.10mm×0.16mm。

2.Micro-CT的发展

微焦点X射线源的出现、CCD探测器的推出以及Feldkamp等于1984年提出的实用圆轨迹锥形束FDK算法的成功，促成了现代Micro-CT的问世。目前，Micro-CT的技术还在不断发展中。

（1）Nano-CT

随着CT相关硬件水平和重建算法的不断进步，近年出现了空间分辨率达到几百纳米甚至几十纳米的CT系统，称为Nano-CT。一个普通细胞的大小平均在10～50μm之间，而细胞小器的大小约为0.2～1μm。所以，空间分辨率通常低于1μm的Nano-CT被称为“能看见组织和细胞图像的CT”或显微CT。高分辨率付出的代价是成像视野的减小。

Nano-CT的主要特点如下：

①空间分辨率更高。Nano-CT所用的X光管其焦点比Micro-CT更小，通常小于1μm。这样，系统的几何放大倍数可以设置得较大，这大大提高了系统的空间分辨率。

②系统的成像视野小。Nano-CT的视野通常不到1cm，扫描数据的横向截断问题引起的重建伪像必须得到校正。Wang G提出的内重建理论为小视野情况下数据横向截断时的图像重建给出了解决方案。这个理论认为，如果ROI可划分为有限个子区域，且在ROI内是分段连续的，则扫描时只需覆盖该ROI即可实现对该区域的重建。

（2）照射剂量

Micro-CT通常多用于活体小动物成像，完善的放射防护设计可屏蔽射线，因而操作人员基本上不会受到辐射，但是电离辐射对扫描的活体动物不可避免。人们经常采用致死剂量（Lethal dose，LD）来表达对小动物照射量的限制，例如，LD50/30表示该照射剂量会在30天内使接收照射的小鼠中50%死亡。对小鼠而言致死剂量一般为6Gy左右，一次3D Micro-CT扫描的典型照射剂量在0.017～0.78 Gy之间，这也就是说，一次Micro-CT扫描就会使小鼠接收LD50/30意义下致死剂量的10%。

虽然啮齿类动物对亚致死剂量（sub-lethal doses）辐射具有一定的自我修复能力，但是如何降低照射剂量仍是一个重要的问题。通过系统的软硬件优化设计可以一定程度上降低照射剂量。通常可选择的方法包括选择合适的焦点尺寸、几何放大倍数、管电压和管电流、增加滤波片滤除软X射线等，还可以通过改进CT重建算法实现。

（3）提高系统的空间分辨率

系统所能达到的最高空间分辨率受射线管的焦点大小、探测器的像素大小、机械稳定性、系统几何放大倍数、重建算法等多种因素的影响。其中，探测器像素大小和射线管的焦点大小对系统的极限分辨率影响最大。在配件选择和系统结构设计时，要综合考虑各种因素，分析其中的制约关系，折中选择那些互相制约的参数，达到系统最佳的空间分辨率。

在平板探测器成像面积已确定的情况下，改变系统的几何放大倍数，可改变成像的有效视野大小，也可改变系统总的空间分辨率。