前言
随着对人类及小鼠等多种生物体基因测序的完成，越来越多的科学家们开始关注应用领域的研究，在今后的50年里,生物医学研究将由以前的重视分子发现过程(即从个体、器官、细胞到分子的过程)逐渐过渡到重视医学应用过程(即从分子、细胞、组织器官至个体的应用研究过程)，使基因组研究成果更有力地为人类的健康服务。而小动物是遗传学、疾病诊治及药物开发等研究领域最基本的研究工具之一，因此开发针对小动物的分子影像工具将大大推动这些领域的研究。人们已经研制一系列专门用于小动物研究的高分辨率成像方法，包括X射线显微CT(X-rayMicroComputedTomography，Micro-CT)、磁共振显微成像、微正电子发射层析成像、高频超声成像和高分辨率单光子发射层析成像等。Micro-CT在这些方法中具有比其他方法更高的分辨率。1971年X射线CT技术的建立使医学活体成像技术有飞跃的发展，20世纪80年代初，研制最初的Micro-CT，和临床CT具有类似的光路和机械系统，只是把临床使用的光电倍增管改成放射成像胶片，使空间分辨率达到147×147×1000μm,随后feldkamp改用锥束X光源，并提出具有实用价值的图像算法，把分辨率提高到30×30×30μm。随着多项技术的逐渐成熟，1999年商业化显微CT问世。
1分类
1.1按整机的结构分类
按整机的结构分类,现有的CT系统有两种组装模式：标本旋转和x线系统旋转。
1.1.1标本旋转型CT标本旋转型CT所检测的标本可在光路中水平或垂直旋转，标本和光源及探测器的距离可调，可方便地调节放大倍数。标本旋转型CT主要应用于离体标本，为防止标本移动而导致重建失败，标本需要牢固地固定在载物台上。
1.1.2X线成像系统旋转型CTX线成像系统旋转型CT有旋转机架系统，且载有成像装置(X线源及二维X线探测器);因为该系统的X线源和探测器之间的距离大多是固定的，因此具有固定的放大倍数。该型CT可用于活体成像。
1.2按分辨率分类
目前关于显微CT的定义还没有统一。殷宗军总结的CT分类方法,把CT分为常规CT(conventionalCT)、高分辨率CT(high-resolutionCT)、超高分辨率CT(ultra-high-resolutionCT)和显微CT(computedmicro-CT),分辨率分别对应于1000μm、100μm、10μm和1μm。这是工业上使用的分类方法，不符合医学使用习惯。陈惟昌等早在1998年，就提出空间分辨率达到1~10μm的医学CT称为显微CT(MicroCT,μ-CT)，与之对应的是现达到肉眼分辨水平的CT，即宏观CT(MacroCT)。桂建保等则把空间分辨率达到1~100μm的医学CT称为Micro-CT，与之对应的同样是宏观CT。虽然都使用显微CT和宏观CT这一术语,很显然,包含的分辨率的范围是不同的。由此可见，仅把CT分类为显微CT和宏观CT,容易产生歧义。考虑到目前临床用的CT的分辨率为350μm及其以上,而目前动物用CT的分辨率一般在为1~100μm,两者之间还存在着100~350μm这一区间，而这一区间正好是最早的实验室阶段的显微CT达到的分辨率，建议把这一分辨率区间的CT称为小型CT(Mini-CT),把临床用的分辨率350μm以上的CT称为宏观CT(Macro-CT)，把分辨率位于1~100μm的CT称为显微CT;还有，随着CT技术的发展，达到1μm以下的CT也已经出现，称为纳米CT(Nano-CT)，主要用于亚细胞结构的观察。本文讨论的CT，包括所有的动物用CT，分辨率从1~350μm，包括显微CT和小型CT，同时也涉及到纳米CT的部分内容(见表1)。
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2显微CT的组成
所有的Micro-CT系统都应包括以下几个部件：X射线源、标本载物台、X射线探测器、控制系统和图像工作站。
2.1X光源
几乎所有的商业用显微CT使用的都是X线球管，大部分使用的球管带有透射性的靶，这和临床使用的反射型靶有明显区别，临床X线球管的聚焦光点约300μm，而显微CT的聚焦光点为1~10μm，利用X线球管的micro-CT分辨率可达9μm,利用同步辐射光源的micro-CT分辨率可达1~2μm。虽然透射性靶具有聚焦光点小、分辨率高的优势，但其对热的耐受能力差，限制所使用的电子束的能量，从而导致该球管的光子流较低。反射型球管的功率一般在千瓦水平，而投射性球管一般在瓦水平。1994年flynn等推断出显微球管的输出功率符合pmax=1.4(x)0.88，其中，Pmax指的是最大功率，X所指为聚焦点直径的微米数。随着新材料化学雾化喷钨钻石的使用，因其具有良好的导热性，可把使用该聚焦光点为1μm的球管的功率提升到13W。功率低导致光子数的减少，为提高信噪比，可延长采集时间，这对静态的物体没有问题。而对于活体，呼吸和心脏的跳动，会导致伪影，因此商业化的显微CT也提供大聚焦光点的X线球管，可以将曝光时间减少至10ms,因而可以满足活体心脏的图像采集。
2.2标本载物台
标本旋转性CT的载物台设计和制作比较容易，但在动物整体成像时，需要将动物沿身体长轴立起来，而且还要保证标本在旋转时，不能产生移动，因此对标本固定要求很高。针对不同动物设计合适的固定架可以部分解决问题。而对于x线系统旋转型CT，动物可爬卧在载物台上，且载物台在扫描时不会旋转，相对来说，标本的固定比较容易。
2.3探测器
除聚焦光点的大小以及系统的光学设计影响分辨率外，探测器像素大小对最后的分辨率也有重要的影响,探测器必须具有很高的光子效率，不产生几何变形，对一定范围的扫描能量具有线性和一致性反应。目前，最常用的探测器是通过玻璃光纤偶联闪烁体的CCD探测器，该探测器的光敏层直接和X线作用，没有其他干扰物干扰，因此填充因子(fillfactor)为100%，其缺点是读取时间长。还有一类是活性矩阵平板图像采集器(Activematrixflatpanelimagers,AMFPI)，它由矩阵的光电二极管通过矩阵薄膜晶体管(TFT)连接，矩阵的光电二极管可以是无定型硅或者是互补型金属氧物半导体CMOS(Completmentarymetal-oxidesemiconductor)。该探测器利用行扫描模式，加快读取时间。但因为TFT占取50%的光敏层，因此填充因子小于50%,导致灵敏度降低;且成像滞后(imagelag)还会影响空间、低反差及时间分辨率。平板探测器还经常需要校准偏移和像素增益因子(pixelgainfactor)。但平板提供非常良好的几何稳定性，是CT探测器中的非常重要的进展。
2.4机械控制及图像处理系统
机械控制系统主要是控制载物台或者是X射线源及探测器的相对运动，在这里不作详细叙述。这里重点介绍图像处理系统，特别是图像重建的算法。总体上说,图像重建的算法分为两类：基于过滤回投影(filteredbackprojection，FBP)的算法和迭代算法。第一类方法应用比较广泛,在基于过滤回投影的算法中，首先所采集的两维图像使用卷积内核(convolutionkernel)过滤以减少模糊，然后通过一定角度把图像回投影到标本而成像。该方法首先应用于平行光和扇形光照射，后被feldkamp修改后应用于锥形束投影。该方法在锥形束角度低于10°时所获得的图像质量还不错。
当投影的数量有限时,迭代和统计重建算法可以提高图像的质量。投影的减少可以降低标本接收照射的剂量,但当重建高分辨率图像时,大量的计算是需要考虑的困难。通过缩小目标区域及对子集排序(orderedsubset)以减少迭代，可降低计算负荷,减少计算所花费的时间,通过专门的图像处理硬件系统,也是解决计算问题的一个方向。统计学图像重建是迭代算法的一种,该算法把重建当作一个统计学的估计问题,考虑投影资料的poisson模型的噪声。该方法和FBP相比,噪声水平减低。
3性能及其影响因素
3.1空间分辨率
空间分辨率指的是在一个图像中能区分出两个结构之间的最小距离，体外研究可达到细胞水平的5~10μm,对于体内研究，为提高扫描速度和降低照射剂量，不可避免地会降低空间分辨率，Ritman认为，如果想获得和临床CT类似的结果，必须获得100μm各向同性的体元，才可以满足研究组织水平的结构。目前，对于整体动物，有ultramicro-CT(GE)和fpVCT,可以达到150μm的体元，适合在体灌流成像、肺成像、心脏成像和高通量成像。
3.2反差(对比度)分辨率
反差(对比度)分辨率是图像质量的一个重要指标，反差(对比度)分辨率是指通过反差区别结构之间微小差异的能力。显微CT的对比度主要是通过调节X-ray的能量实现的，在低于25keV的状态下，图像的对比度较好。通过一些物理学的相衬方法，也可以提高反差，使软组织成像成为可能;使用造影剂也可以增加软组织的反差。反差(对比度)分辨率可以通过反差噪声比(CNR)来测定。结构A和背景B的CNR值
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其中，μA、μB分别为A、B选定区域的信号的平均值，δA、δB为A、B信号平均值的标准差。
4应用
关于CT应用的大量报道集中在骨和口腔科领域，因为骨和牙齿的高密度非常适合做CT检查，这方面已有很好的综述，这里不再赘述，有兴趣的读者可以参考相关文献。
4.1血管成像
对血管系统的研究依赖于造影剂的应用，早期CT的扫描速度慢，扫描时间长，动物需要处死后灌流造影剂才能满足扫描条件。随着CT技术的发展，如探测器数据读取速度加快，探测器矩阵增大，对X线敏感性增强，信噪比增强，检测时间可控制在1min内等。这些进步减少运动伪影以及照射剂量。目前，小动物使用的造影剂包括两类：短半衰期的碘造影剂和长半衰期的新型造影剂。碘造影剂在临床CT中应用的比较成功，因为临床CT能量高，人的血液循环时间相对较长，从时间和空间分辨率上来说，均可满足图像采集的条件，而小动物CT，X线能量低，动物血液循环快，难以采集到质量满意的图片，通常需要连续输入造影剂，才能满足图像拍摄条件，通过应用脂质体包裹，可延长碘造影剂半衰期。同样得益于CT技术的进步，现在已经可以用碘造影剂成功地研究血管的结构。长半衰期造影剂具有一次注射后在血液中持续数小时的特性，目前已经有商业化的产品，但其剂量不能太高，只适应于大血管造影。
4.2心脏成像
大鼠、小鼠的心脏造影对CT研究者来说是个挑战，因为大鼠、小鼠的心跳和呼吸频率比人快得多，而心脏比人小。通过麻醉可以降低心跳和呼吸的频率，但远不能解决问题的本质。在体监测心脏，需要使用门控，使用门控策略包括前门控和后门控两种。前门控指的是通过把图像采集和心跳呼吸频率同步，即只采集某个固定时相的心脏图像，以减少图像采集的模糊，这已在一些商业显微CT上成功使用。后门控包括外在和内在后门控。外在的后门控方法是在采集图像时同时采集动物的呼吸、心跳时相，在图像采集后，再把图像分别分配到其相应的心跳、呼吸时相，这需要硬件上的改进，通过硬件同时记录采集时间和动物呼吸、心跳状态，才能达到这一目的。内在的后门控技术不需要硬件上的改进，直接通过心脏和膈肌的图像特点判断时相，可通过在一个角度拍摄一组图像，判断各图像不同的呼吸/心跳时相，然后更换角度，重复上述拍摄/判断过程。也可通过持续旋转状态下的高频率的帧采集获取图像，然后根据心跳/呼吸时相，把每个投影下的帧图像重排，形成新的原始影像资料后进行图像处理。这需要繁琐的计算才能完成。前门控和后门控已经在小动物上得到应用。
5显微-CT相关进展和发展趋势
Micro-CT技术20多年来有很大的改进，其空间分辨率已经达到非常高的水平。但在提高对比度方面进展一直很慢，未来发展的方向是提高其成像的对比度。通过相衬技术，可提高软组织的对比度。使用同步辐射光源的相衬成像，可直接观察如组织，且分辨率可以达到50nm。通过把CT和其他模块联合使用，也可以部分弥补CT反差小的问题，比如把CT和PET、SPECT、荧光光学成像一起使用，大大扩展CT的应用领域。另外，开发更多适合动物使用的造影剂，也可以扩展CT的应用空间。1998年国内学者就开始关注CT的研究，陈惟昌等很好地综述和预测显微CT的技术及其趋势。2002年，国家及部委有关基金就已资助成像领域的相关研究。利用国家自然科学基金委员会的科学基金网络信息系统ISIS，以microCT、微CT或医学成像为项目主题词进行检索，从1999-2009年共检索到19个项目，14个与microCT密切相关，资助的领域涉及显微CT的各个方面，包括七项基础研究(X光光源、成像理论和算法)及七项microCT应用研究，主要集中在考古和骨科动物模型领域。随着国家对影像领域研究的支持，成果相继出现。以中国学术文献网络出版总库期刊为搜索对象，以关键词显微CT或关键词MICRO-CT或关键词微型CT或主题词高分辨CT/动物为搜索词，从1998-2009年总共搜索到73篇文献，这73篇论文报告医学影像的基础研究、CT开发以及应用方面的成果，在CT的基础研究中，涉及成像传感器、图像重建技术等方面。在这些应用基础研究的推动下，目前国内已有数个实验室成功地开发micro-CT，包括硬件的组装以及软件的开发。另外，国内包尚联课题组开发的小动物专用CT，已经完成样机测试，正进入上市准备阶段，值得期待。在显微CT的应用方面，也出现一些可喜的成果，microCT在骨科学、口腔科学、骨替代材料领域及利用骨化石和牙齿化石的考古领域都有应用方面的报道，这73篇文献的年度和基金支持分类汇总表(见表2)。我们利用国内实验室开发的显微CT，扫描大鼠的颅骨缺损动物模型，获得高分辨的颅骨缺损图像，为研究人工合成骨替代材料的动物实验研究打下良好的基础(见图1)。
虽然国内在研发和应用方面都取得很大的成绩，但和世界先进技术相比，还有一定的差距。在一些关键技术上，还没有突破，如在X射线源和探测器方面，目前还主要依赖进口;图像的分割和计算方面，在活体动物方面还缺乏非常成功的案例。在针对小动物活体成像方面的门控技术，还不成熟。
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在应用领域的研究还主要集中在反差大的骨骼，对于比较困难的心脏和肺显像的工作还比较少。如何解决上述问题，值得思考。在研究开发领域，国家还应加大支持力度，支持理论和技术创新，并积极推进技术转化，使具有实用价值的机器走向市场，推进显微CT国产化、普及化。对于应用领域，培养人才是关键。目前显微CT影像学从业人员较少，缺乏小动物影像专业人才，而且在小动物影像学的基础学科，如实验动物学、动物解剖学、动物断层解剖学和动物组织病理学等学科中，也缺乏高水平的人才建设和培养体系，这大大阻碍显微CT的应用和发展。在未来的10年里，中国的临床前研究如果想赶超科技强国，需要现在就开始进行基础和专业人才的培养。
6讨论
X射线作为穿透力强的射线，在医学研究领域具有重要的应用，在过去的20多年，CT技术的出现以及锥束扫描及其相关的图像重建的算法的建立，为显微CT的发展带来革命性的飞跃，以吸收成像为基础的CT分辨率已经达到1~10μm级，通过商业化的造影剂可以提高软组织的反差。门控技术的使用大大推动显微CT活体成像的应用。通过相衬技术的CT成功地应用于软组织的成像，并达到50nm的分辨率。相衬技术成像作为一个提高软组织反差的领域，值得密切关注。在应用领域，因CT应用的广泛性，图像分割及图像计算领域的专家还需要和CT用户积极交流，针对客户的研究，提供个性化服务，解决研究中的实际问题。国家基金支持对CT研究具有重要的推动作用，今后应加大对显微CT领域的支持力度，为CT技术的开发、普及、专业人才培养做更大贡献。
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