重要的Micro-CT功能如何协同工作以提高系统的多功能性、速度和图像质量？

最近，CT系统市场呈指数级增长。因此，市场上已经登陆了各种各样的系统，从涵盖广泛应用的巨型旗舰系统到功能令人满意但功能有限的小型桌面设备。

为了在这种竞争激烈的环境中确定特定的解决方案，制造商将调整micro-CT系统的核心功能，特别是基于衰减的3D图像的无损采集，并具有额外的甚至新颖的分析能力。

例如，在扫描过程中进行X射线荧光的能力，使用光栅干涉测量法进行真正的相差成像，在micro-CT系统内获取光谱数据或捕获X射线散射信号。

此外，将成像从3D扩展到4D的需求越来越大 - 为实验引入了时间维度 - 许多CT系统现在提供专门的4D成像工具，用于流动和信号线的电缆馈通以及外围设备的内置连接。

尽管微型CT系统的额外功能范围不断扩大，但样品结构或成分的3D数据集的生产仍然是micro-CT的主要应用。

无论这些数据集是用于量化材料特性（例如孔隙率），用作数值模型的输入，还是用于更深入地了解样品内部，图像质量在获得可靠和可重复的结果方面继续发挥核心作用。

由于可用的仪器数量和忠实的用户社区，micro-CT技术经历了重大发展。

如今，断层扫描设备配备了先进的X射线源和探测器，随附的软件展示了改进的重建算法以及出色的后处理和可视化工具。

本文概述了新技术对最新一代microCT系统的意义，并说明了为任何应用寻找最佳micro-CT系统的过程，而不仅仅是简单地比较市场上所有系统的最大分辨率。

X射线源的分辨率极限已达到其绝对物理极限，这一事实放大了这一点。现在，所有X射线源制造商都提供分辨率在0.5μm至1μm之间的透射式X射线管，并且这些值之间的实际差异非常有限。

尽管在图像上获得高分辨率（或者更确切地说，令人满意）分辨率的重要性是一种有价值的质量，但其他参数，包括图像质量和对比度，成像速度或仅仅是系统的动态能力，与分辨率一样重要，有时甚至更重要。

成像速度可提高吞吐量并节省成本
在研究显微CT设备时要考虑的最重要特征是成像持续时间。

关键扫描仪组件的发展，主要是在探测器方面，但也在计算机硬件中，如有助于快速数据记录的固态驱动器，推动了采集时间的缩短 - 从几个小时减少到几分钟。

此外，增加光源探测器距离以最大化X射线通量的能力表明，在计算采集速度时，还需要代理X射线源和采集模式的最大功率。

市场上最快的商用微型CT系统可在每次扫描不到一分钟的时间内以中等分辨率获得出色的扫描结果，并且可以在最大扫描速度下实现几秒钟的时间分辨率。

快速扫描速度具有许多优点，但关键影响因素可能是吞吐量的提高。这种增加的吞吐量提供了在相对较短的时间内扫描多个的容量，从而增强了系统对其用户的可用性。

由于微型CT设备通常存在于较大的多用户设施中，这阻止了系统访问成为实验和研究进展的严重瓶颈。高通量使用户能够在相同的时间内处理更多的样品，确保生成足够的数据点以得出与统计相关的结论。

在需要扫描多个样本以获得这种与统计相关的样本的情况下，扫描速度慢不是一种选择。最后，快速扫描仪还可以保持每个样品的低成本，这在分析服务实验室环境中至关重要。

虽然成像速度是之前所有点的关键因素，但它也意味着 - 当有更多的时间时 - 这个时间可用于获得更多的X射线投影图像或增加每个投影的曝光时间。

这意味着更快的成像速度意味着可以在与较慢的micro-CT系统相同的采集持续时间内获得增强的图像质量。

图 1. 使用 1300 （A） 和 1000 （B） 投影，在 TESCAN UniTOM HR 系统上扫描的手机镜头组件的高质量扫描只需 26 （A） 甚至 7 （B） 分钟。图片来源：TESCAN USA Inc.

图像质量是实现可操作结果的关键
这种高图像质量的重要性怎么强调都不为过。在从micro-CT获得高质量，可靠，可操作的结果时，整体图像质量很可能是最核心的因素。

当需要孔隙率值或绝对距离等数值结果时，这一点尤其重要。信噪比和对比度尽可能高至关重要。

分割步骤很可能是处理和分析3D micro-CT数据集的第一步。这种图像分割通常是自动或手动进行的，其中两种或两种以上的不同材料彼此区分，这取决于它们在图像中的灰度值。

由于大多数图像分析例程至少需要一个分割步骤，并且所有其他分析步骤和结论通常都依赖于该初始分割，因此它被认为是图像分析中最关键的一步。

因此，图像质量在获得出色结果方面起着核心作用。输入越好，不同的用户或算法可以执行的图像分割就越可靠。

随着高级机器学习和人工智能辅助分割方法的兴起，这一点得到了凸显，所有这些都取决于干净一致的训练数据。与成像速度非常相似，图像质量也利用了电子产品的技术进步。

来自探测器的读出噪声有所下降，并且已经更多地了解了用于计算机断层扫描（与工业放射学不同）的实施和微调探测器。

与传统的步进和拍摄方法相比，更好的采集模式，例如平滑的采集轨迹，增加了某些micro-CT系统的信噪比。

如前所述，由于微CT系统的分辨率是该技术最关键的方面之一，因此不容忽视。分辨率是系统生成的数据集图像质量的重要组成部分。

当然，有些应用需要亚微米空间分辨率来解决任何迫在眉睫的挑战。但是，用户必须明白，只有当特征能够以足够的信心进行解析和分割以保证准确的结果时，他们才能从（理论上）最大分辨率中获得优势。

如果在最大分辨率下信噪比降低，则图像质量的妥协可能是一个太大的权衡。

如果最大分辨率不是最关键的因素 - 并且有许多应用都是这种情况 - 那么值得考虑具有几微米而不是亚微米分辨率但在其他方面表现出色的微型CT系统。

这些低分辨率系统可以提供更大的易用性，更低的维护需求，并在样品和系统几何形状方面提供更大的灵活性。

多功能性很重要：有一天可能需要它
虽然样品的旋转本身就足以获得标准的micro-CT 3D数据集，但这种只有一个自由度的系统很难获得，并且仅在特定情况下使用，例如在工业环境中检测多个相同的样品。

大多数商用CT系统足够灵活，可以在X射线源和检测器之间移动样品（用于放大），并实现样品上下移动（用于扫描高大样品）。

在大多数其他情况下，这由可变的源-探测器距离补充，通常以固定步长，而不是采取完全可调和/或探测器并排移动的步骤，以进行宽视场成像。

更进一步，有些设备在旋转台的顶部提供定位台，以将样品完全对齐在旋转轴上方。此 X/Y 定位通常通过相对定位执行，而不是使用带绝对编码器的电机。

微型CT系统的多功能性意味着用户不仅能够控制上述运动，还可以独立改变X射线源和探测器的水平和垂直位置，垂直于光源探测器轴的物体级平移，并利用所有这些运动的组合生成采集轨迹。

将这些综合在一起，这些微型CT系统总共具有10个或更多的自由度，以促进完全的灵活性，同时适应极其复杂的断层扫描实验。

这种多功能性和对可用自由度的出色利用的一个例子是通常用于微CT研究的著名多尺度方法。

一旦对大型物体进行了快速概览扫描（在micro-CT中可能高度和直径为数十厘米），就可以确定样品内部的特定感兴趣区域或体积。

在该感兴趣体积的位置，以更高的分辨率和/或图像质量进行更长的新扫描。可视化、重建和扫描仪控制软件应用程序之间的精确通信需要初始概览扫描和随后的高质量扫描之间的坐标转换。

CT系统内每个电机的绝对值编码器确保微型CT系统的每个组件都被引导到适当的位置，以进行感兴趣的体积扫描。

这种多尺度的量程工作流程可以通过应用大多数微型CT设备来完成，但只有软件和硬件之间的最高连接才能促进简单，用户友好的体验。

最后，系统的多功能性还允许非标准成像轨迹以及传统的圆形采集方案。

螺旋采集是众所周知的，并且通常需要，但轨迹可能是至关重要的，例如偏移扫描（对于宽样品，视场加倍）或使用倾斜的光轴进行采集（其中光源和探测器处于不同的高度，以最大限度地提高大型平坦样品的透射率）。

图 2. 使用标准锥形光束断层扫描与倾斜光轴断层扫描（TESCAN扩展锥形断层扫描TM）重建不锈钢腕表。图片来源：TESCAN USA Inc.

模块化 – 最大化您的投资
通过添加使用多个探测器的选项，可以进一步提高Micro-CT系统的多功能性。市场上的每种X射线探测器不仅取决于其物理像素大小（像素间距），还取决于其像素数，有效面积，能量灵敏度和闪烁体厚度。

因此，不同的样品类型和大小，或者只是不同的研究要求，将受益于使用一种或另一种探测器。遇到在各种X射线探测器之间轻松切换的机会，可以为广泛的样品获得最佳结果。

随着探测器技术的加速发展，微型CT系统的最高资产 - 探测器模块化 - 也确保了您的微型CT系统中可以包含新技术。

这意味着系统可以针对多个应用领域进行改进，无论是目前还是更远，从而保证了较长且高效的使用寿命。这种模块化还可以升级具有各种成像模式的微型CT系统，例如光谱成像作为传统基于衰减的CT成像的附加组件。

动态 CT – 将一切整合在一起
由于多功能性和模块化有助于扫描各种样品，因此可能需要在不同条件下评估这些样品，例如非环境温度和湿度或机械应力。

自从它被引入以来，micro-CT的非破坏性意味着它已被用于时间分辨研究。

然而，上述特性的最新进展使该技术能够在所有实验室中使用，而不仅仅是在大型同步加速器设施中，这使得基于实验室的时间分辨断层扫描在出版物数量上优于基于同步加速器的实验。

从动态micro-CT的出版物，应用和可能性的数量来看，在micro-CT系统上进行快速4D实验的能力是值得考虑的。

为了能够进行快速动态实验，微型CT系统的所有组件必须完美协调地工作才能完成工作。

与快速探测器结合使用时，需要高功率X射线源来保持较短的曝光时间和扫描时间，从而跟上最快的过程。

丰富的电源和信号硬件连接 - 理想情况下通过滑环连接，便于实验设置的无限旋转 - 以及额外的电缆馈通件才能在系统内安装复杂的原位设置。

可视化和重建软件还必须能够处理通过数百次样品（或龙门架）旋转获取的数据。