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微米級電腦斷層掃描造影系統 (Micro Computed Tomography Imaging System)
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微米級電腦斷層掃描造影系統

(Micro Computed Tomography Imaging System)

醫學物理暨影像科學研究所 杜書儒 助理教授

  分子影像 ( molecular imaging ) 在醫學影像的研究領域裡是一個很新的造影技術。在最近與生物醫學 ( biomedical science ) 有關的大型國際研討會中,分子影像有關的研究都是大會中熱門的焦點。

  在分子影像研究主題中,尤其是小動物模型 ( small animal model ) 的探討是一個很重要的主軸;然而分子影像並沒有一個很嚴謹的公認定義。但是,我們可以廣義地解釋為利用造影的技術來觀察細胞與分子層次的生物活動 ( biological processes ) ,尤其是在活體 (  in vivo ) 的小動物模型研究。

  在分子影像造影技術中有一些重要的家族成員,其中 micro CT 便是一個在實驗室中常見的造影儀器。除了 micro CT 之外,還包括 micro MRI ( 微型磁振造影 ) 、micro PET ( 微型正電子斷層掃描) 、micro SPECT  ( 微型單光子輻射電腦斷層掃描 )  和其它一些與光學有關的光學造影設備  ( optical imaging  ) 。

  微型電腦斷層掃描 ( micro CT ) 和在醫院為病患診療用的 X 光電腦斷層掃描非常相似,比較不一樣的是 micro CT 是專門為小動物模型而設計的造影設備,它的 X 光聚焦點大概在 0.1 微米以下,還有 X 光偵測器可以有非常高的空間解析度 ( spatial resolution ) 。一般在研究實驗室或大型的分子影像中心所設置的 micro CT,至少 都有10 微米 ( μm )以下的空間解析能力。

  本校分子醫學研究中心添購了一部由比利時(Belgium)的公司所設計和生產的 micro CT,它的市場型號是 Skyscan 1076。如附圖所示,整個 micro CT 是安置在一個桌上型的防護鉛板裡,目前這台 micro CT 安裝在SPF動物中心。

圖片來源:http://www.skyscan.be/products/1076.htm

  接下來介紹這台 micro CT 的一些基本特性和功能。首先是它是一個正圓形的掃描儀器,小動物 (小鼠 mice 或大鼠 rats ) 所在的床座 ( bed ) 是固定不動的。從 X 光射源到掃描中心是 12 公分,而從掃描中心至 X 光檢測器是 5 公分。X 光的射源電功率是 10 瓦特,可以使用的時限預估是 10000 小時。這台 micro CT 有一個高解析度的 CCD ( charge-coupled device ) 檢測器,負責收集 X 光粒子,並使用光電原理將它們轉換成可見光,最後再將這些可見光存成電子訊號。CCD 檢測器的像素 ( pixel ) 數目大約是一千萬 ( 4000×2300 ) ,一個像素單元可使用 12 位元的資訊。

  一台 micro CT 的核心除了 X 光射源,X 光偵測器之外,還有一個非常重要的部分,那就是影像重建軟體 ( image reconstruction software ) 。這台 micro CT 使用一個稱為 Feldkamp 或 FDK 的影像重建技術,這個技術的特點是花費在重建時間並非特別長,而影像重建的品質也可達到一定的水準。重建後的影像有三種解析度可供選擇,分別是 35 μm、18 μm 以及 9 μm。

  這些影像可儲存成多種的影像格式,例如 BMP、RAW 16-bit、TXT,或是 TIFF 和 JPEG。一個很重要的問題是小動物被照射所接受到的劑量,根據使用手冊的說明以及實際的量測,每一個掃描大概有 0.1 到 0.5 Gy 的劑量。我們利用這台 micro CT 做為一些研究計畫的平台,執行了一系列的小動物造影的探討,結果顯示,一個影像的品質跟硬體或軟體因素都有直接或間接的關係。

  大致而言,X 光射源的伏特數大小 ( KVp ) 會影響對比的解析度,伏特數愈大,軟組織 ( soft tissue ) 的解析度會降低。但是,一些高密度產生的假影 ( artifacts ) 會減少,一些安裝在 X 光管裡的金屬過濾器 ( metal filters ) 也會對影像產生一定的影響。這台 micro CT 有兩個不同厚度的鋁過濾器和一個鈦金屬過濾器。一般而言,投射影像 ( projection images ) 的數目,也會是決定一個重建影像品質的重要因素。

  近年來分子影像技術蓬勃地發展,且許多分子影像相關的研究計畫與小動物造影有密切關係,目前有許多小動物模型的研究以微型電腦斷層造影系統做評估。此外,與該系統相關的造影儀器如微型正子放射斷層掃描 ( micro PET ) 和微型單光子放射斷層掃描 ( micro SPECT ) ,在全球生醫領域研究機構的裝機量亦持續地增加。微型電腦斷層造影儀在研究上也發展出一些具潛力的應用,以小動物模型如基因轉殖及基因剔除模型來研究人類疾病方面的研究進展也十分迅速。此系統與功能性的造影系統 ( 如微型正子放射斷層掃描、微型單光子放射斷層掃描 ) 做結合,可提供高品質解剖性影像並可達 10.0 μm以下的空間解析度。

  利用微型電腦斷層掃描於小動物模型的技術,在預前與生醫方面的應用有骨密度與腫瘤反應的評估,微型電腦斷層掃描的主要功能之一,為可從重建的影像轉換得到以 Hounsfield Units ( HU ) 為單位的 CT 值。CT 值可直接從重建影像的直線衰減係數轉換求得,且該值與被掃描物的電子密度和物理密度相關。這些由此系統所得的 CT 值其相依關係對於組織特性、骨構造的量化,骨髓密度的評估及輻射劑量計算等小動物研究相當重要;尤其以雙能量電腦斷層造影 ( dual-energy CT imaging ) 的 CT 值做精確的量化時,在各種造影條件與設定下,其 CT 值的穩定性及準確性是非常關鍵的變因。

  有些造影的因子對於 CT 值有十分顯著的影響,包括 X 射線的光譜、X 射線組件中金屬濾片的選擇、重建影像的演算法、所使用的軟體套件、影像後處理技術和偵測器的構成技術等等。我們實驗室的研究團隊曾經研討在不同硬體設定下,以六種不同能量 ( 30, 40, 50, 60, 70, 80 KeV ) 的 X 射線掃描四種假體,取得影像並計算 CT 值,比較在不同的濾片及能量時 CT 值的依存性。

  我們選擇了四種組織的假體來模擬小動物的主要解剖構造,包括肺假體、脂肪假體,肌肉假體與骨假體,這些假體以與組織相等的環氧化物 ( epoxy material ) 材質所製成。在實驗前必須先校正及確認假體的直線衰減係數、電子密度值與均勻度。

  造影實驗結果發現對於肺假體,CT 值的範圍分佈從 -803 至 -580;對於脂肪假體,範圍自 -279 至 -133;對於肌肉假體,範圍由 26 至 71;而對於骨假體,範圍從 1145 至 2817。

讀者若對 micro CT 有興趣,或是希望能得到更詳盡的資料,歡迎與我連絡。 

參考文獻

[1] Bushberg J, Siebert J, Leidholdt E, and Boone J (2001) The Essential Physics of Medical Imaging 2nd edn, Philadelphia, PA: Lippincott Williams & Wilkins

[2] Feldkamp L, Davis L, and Kress J (1984) Practical cone-beam algorithm J. Opt. Soc. Am. A 1:612-9

[3] Maolinbay M, El-Mohri Y, Antonuk L, Jee K, Nassif S, Rong X and Zhao Q (2000) Additive noise properties of active matrix flat-panel imagers Med. Phys. 27:1841-54

 

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