Bone imaging interview
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请简要介绍 microCT 用于分析骨骼结构的成像模式。

骨骼结构是研究人员和临床医生出于各种原因需要熟悉的内容。也许其最大和最长时间的应用是研究骨质疏松症,它通常影响老年人,特别是女性。

有一些儿科或药物相关的厌食症的特殊病例,这是其中一个重要的应用。与许多医学研究领域一样,术语“临床前”指利用大鼠和小鼠作为模型。MicroCT 是一种真正简单且有效的骨骼结构测量方法。

可以无损获得小动物任何部位骨骼三维结构的大量细节,优势是它具有非破坏性。样品在最后仍是完整的,科学家可以进行遗传和组织学分析。

图像本身只是开始,因为随后可以选择需要的部分并对结构进行测量。这些测量结果为科学家提供可构成其研究实质的数据。

MicroCT 是一种物理方法,它与医院使用的 CT 扫描完全一样;基于 X 射线造影剂,采用同样的技术,从多个角度拍摄 X 射线照片并合成为 3D 图像。在任何情况下,针对具有不同材料和不同 X 射线吸收度的样品,它都可以提供其结构。在生物样品中,骨骼是最易进行 X 射线成像的组织,因为它含有钙和矿物质,因此可以非常容易地看到骨骼结构。

MicroCT 骨骼成像仍然是并且可能始终是其在生命科学中的最大应用,因为骨骼组织的钙化使其易于成像。

用于骨骼成像的 microCT 与其他方法相比如何?

MicroCT 相比组织切片具有明确的时间优势,后者在用石蜡或塑料基质包埋样品时可能需要一两天。然后需要将整个样品切片,这又需要数小时,随后染色数小时才能在显微镜下观察。

接下来要逐个切片进行分析,并为每个横切面或者选择一部分拍照。然后在 2D 切片上进行分析,获得 2D 信息,有时需根据2D信息推测其 3D 情况,因为我们的器官是 3D 物体。

利用显微扫描进行骨体积分析,通常中等分辨率需要 10-15 分钟,最高分辨率需要数小时。之后,需要数分钟进行重建,分析可以通过全自动方式在 3D 模式下完成。而对于组织学,需要花一周时间将所有信息整合到一起。

为什么 microCT 如此适于骨骼分析?这是否表明它仅限于硬组织?

microCT 不仅仅局限于硬组织,但它特别适于骨骼的原因是 microCT 的整个基础是测量器官或组织中 X 射线的吸收。基于该吸收,可以通过无损方式获得整个结构外部和内部的 3D 图像。

骨骼易于以这种方式成像是因为其为钙化组织,因此 他们呈现为高X 射线吸收。但是,如果用于其他类型的组织,也可以扫描并获得良好的图像。有时需要对样品进行预处理和/或使用 X 射线染色,例如 PTA、酸染色或碘染色。

如果进行体内或体外分析,对于体内分析可以区分脂肪组织、瘦组织、肌肉、肝、血液、心脏和骨骼。对于体外分析,限制较少,因此可以使用更多染色并可获得其他器官的信息。

microCT 有哪些其他临床前用途?

在矿化组织中,可以进行骨骼和牙齿成像,以及一些临床前动物学研究。

除了骨骼和牙齿,可以进行肺成像,在体内和体外均可进行。通常,在体外的分辨率比体内研究高得多。我们研究所用的分辨率范围微米级,这就是 microCT 名称的来源。

一些其他应用需要注射造影剂,例如在心脏成像和血管形成中。

请简要介绍 支持microCT 的方法。

microCT 涉及多个步骤。第一步是扫描样品,需要将提取的骨骼、组织或活体动物放入 microCT 系统。在此,我们区分一下两种类型的 microCT 系统。体内扫描仪用于整个动物,它包含温度传感器、ECG 传感器和呼吸检测器。将小鼠放在床上,然后用相机和 X 射线源围绕样品旋转。

体外扫描仪技术非常类似,但结构有所不同。相机不会围绕样品旋转,而是样品在放射源和相机之间的样品台上旋转。

它使用相同的技术采集图像。在扫描时,和临床中一样,在围绕样品的多个角度拍摄放射照片。这样就获得一系列放射照片、投影图像,用于随后逐步重建。重建是一种反向投影算法,将所有信息组合,提供一叠断层图像。

然后,通过将这些图像加载到 3D 渲染软件包中实现可视化,该软件包也由布鲁克提供,用于支持采用布鲁克 microCT 仪器产生的图像。

值得注意的是,我们使用的所有软件都是由布鲁克 MicroCT 内部开发的,而一些其他公司则依赖于第三方软件。这些软件可以用于进行 3D 渲染或分析。

在扫描和重建后,则是 microCT 的第三部分也是最后一部分 — 我们如何利用这些 3D 信息?

对于分析,分为形态测量分析,可提取关于形状、体积、厚度、间隔等信息,以及密度分析,可获得关于特定部位透过射线程度的信息。

有不同类型的 microCT 吗?如果有,它们进行的测量有何不同?

首先,分为体内型和体外型,可设定系统扫描活体动物,也可扫描非活物体。然后,确定系统和分辨率,可以插入不同的放射源和相机。

放射源将决定 X 射线的穿透能力,因此能量越高,就可扫描尺寸越大、密度越大的物体。例如,极低的电压足以扫描软组织,而较高的电压可用于扫描骨骼。根本原理是 X 射线必须透过物体到达相机。如果所有 X 射线均停留在物体中,则相机上不会有任何图像。这是扫描仪的一侧,即 X 射线源和电压侧。

可以使用 CCD 相机或平板相机;CCD 代表分辨率更高的相机,而平板相机像素较高,分辨率略低。

对于体外样品,我们拥有使用这两种相机的扫描仪。CCD 可实现以极高的分辨率扫描较小区域,达到微米级。平板相机没有如此高的分辨率,但可实现更快速地成像较大的区域,并且还能够达到较高能量,穿透密度较大的物体。这两种广泛的类型具有不同的产品系列,体外和体内扫描仪中均有,如果追求高分辨率,可以使用 CCD;对于高能量、较大样品和高速度,则可以选择平板。

但是,所有的布鲁克 microCT 系统的相似之处在于聚焦用户友好性,这在生命科学领域很多方面都很受关注。

请简要介绍用于临床前骨骼研究的布鲁克 SkyScan 系统。

我们最常用的系统称为 SykScan 1272。它是基于 CCD 的高分率独立台式系统,占地面积较小。我们出售的系统配合完整的解决方案使用;扫描仪、用于分析和可视化的软件都在一起。1272 覆盖了广泛的应用范围,包括骨骼、牙齿、动物学和所有生命科学应用。

我们还提供另一台称为 1275 的体外扫描仪。开头的 12 表示代数,而末尾的数字代表扫描仪类型。72 具有 CCD 高分辨率台式系统。相反,75 具有平板探测器和台式系统,但具有较大的相机,用于较大样品和快速扫描。这是台式骨骼成像最重要的两种系统。如果希望获得最高分辨率的小鼠骨骼图像,可以使用 72,对于较大骨骼、牙齿或较高密度人骨骼样品的图像,可选择 75。

我们还有 1174,它是一种小型台式系统 — 这是我们的入门级系统。

至于体内,我们有 2 种扫描仪;一种是具有 CCD 相机的高分辨率扫描仪 1276,而另一种是具有平板相机的分辨率较低的扫描仪 1278。

与过去不同,这两种扫描仪的速度没有太大差异。低分辨率扫描仪大约需数秒,而高分辨率扫描仪是数分钟。目前,在这两个系统中,均可以达到最高速度数秒。

对于 1278,可以扫描整个动物,分辨率低至 50 微米。而对于 1276,在体内可获得的最高分辨率是约 5 微米。如果进行麻醉等,也可以在活体扫描仪中扫描离体样品,可以降至 2.8 微米像素大小。

所有体内 SkyScan 仪器中,令我们骄傲的是均只需要低辐射剂量。在获得动物的 X 射线图像时,重要的一点是不要给予过大的辐射剂量,从而避免损坏要研究的组织。我们的体内扫描仪中的特殊技术,特别是高性能相机和非常高性能的数据处理和速度,可实现在极低的辐射剂量下完成扫描。

布鲁克技术如何帮助或促进 microCT 的发展?

早在 1996 年,我们就是最早投资 microCT 商业化的公司之一。我们在市场开发中发挥了作用,包括骨骼领域以及动物学和材料科学行业。对于将这项技术真正引入科学界并在许多领域进行开发,我们发挥了重要作用,而且比大部分竞争者时间更长。

未来几年 microCT 的发展方向是什么?下一个重要里程碑是什么?

这项技术会一直朝着更高的分辨率和更快的扫描以及过程自动化发展。我们认为用户友好性也很重要。MicroCT 是 3D 模式,由于可以操作图像和拍摄影片,一旦人们掌握它,它将成为一种非常引人注目的技术。然而,有时它对于未使用过此技术的人来说可能会令人生畏,因为它看起来技术要求很高,这令人望而却步。我们希望通过移除障碍并提供直接、直观的培训来吸引更多的人使用它。在持续的培训和支持方面,我们与用户建立长期关系。

除了我们希望继续发展的技术,我们还希望尝试的一项事情是与研究群体保持联系,特别是骨骼领域,作为重要工具为其提供支持、服务和整体活动。

无论骨骼和牙科研究领域朝哪个方向发展,我们都希望相伴而行并利用我们的研究方向本身提供帮助。我们能够做到这一点,同时我们希望强调的是,无论骨骼研究朝哪个方向发展,无论他们使用什么技术,我们都希望与骨骼领域研究人员保持合作。