非破壞性 X 光檢測在結構與成分分佈之解析
■工研院/林子閎 博士 & 樓修成 博士
前言
X光檢測技術，尤其是電腦斷層掃描(computed tomography, CT)已經被廣泛應用於多種領域，包括醫學、生醫、醫材，材料檢測以及電子，因為X光對於多數物質有非常好的穿透性特性，所以常被應用在探索物質的內部結構，尤其是其可以利用三維影像進行非破壞性檢測3D結構的特性。
1972年，第一台電腦斷層掃瞄儀上市後便廣受歡迎且進行多次的改良與進步，包括提升檢測速度、降低輻射劑量，以及增加解析度，並且衍伸出多種斷層掃描儀，從小動物用的動物用微米斷層掃描儀 (in vivomicro-CT)，到高對比的微米斷層掃描儀，以及更高
解析度的高階奈米斷層掃描儀 (nano-CT)。近年來搭配新穎的人工智慧演算結合從小到大各尺度的高階斷層掃描影像技術，並進一步結合模擬演算與材料成分分佈，在影像辨識中被視為上帝之眼。除了醫學相關研究，在材料開發尤其重要，例如3D孔隙材料纖維材料以及輕量化材料的開發，在完成3D影像之後，進行電腦模擬以及配合拉伸或壓縮的應力測試，都佔有非常大的地位。這項技術可以加速材料開發並提供各尺度的模擬，以減少開發時程和失敗機率。
斷層掃描簡介
1895年，倫琴 (Rontgen) 發現了X光，此後因為X光對於多數物質有非常好的穿透性之特性，其被利用來探索物質的內部結構。X光造影基於各種物質對於X光有不同的吸收值，原子序越高的物質會有越高的X光吸收能力，換言之X光較難穿透這些物質。而這種特性在影像接收上可以得到明顯的對比，我們便可以觀察到物質的內部結構並觀測材料上的異常。利用電腦斷層掃描技術可經由將檢體進行 180 度至至 360 度的拍攝，在拍攝數百張甚至上千張2D X 光片後（圖1，[1]），將這些影像經由電腦進行二次運算建立出斷層影像（Orthoslices，圖 2，[1]），接著再以電腦將這些顯現內部結構的斷層片堆疊起來便可以精準地建立三維 X 光影像，並且可以得到不同 X 光吸收值的元素分佈與結構解析（圖 3，[1]），更重要的是這項技術不需要破壞待測物品就可以解析檢體內部的資訊。這項特點在臨床應用上極其重要，2017 年斷層掃描設備市場便達 39.5 億美金。
在臨床中斷層掃描技術常用來診斷疾病，例如斷層掃描技術在骨科牙科的診斷與治療上佔有非常大的地位。而除了硬組織，斷層掃描也常被用於檢查肺部狀況，包括健康檢查中的早期肺癌檢測，以及近期大家聞之色變的新型冠狀病毒 COVID-19 所引起的肺部纖維化檢測。隨著顯影劑與影像技術的進步，應運而生的對比增強電腦斷層掃瞄 (Contrast Enhanced Computed Tomography, CECT) 更 是 使 得 斷 層 掃 描也能夠使用於心血管檢測與多種癌症檢測上。除臨床應用外，此項技術也常應用在材料科學與醫療材料的研究，包括近期非常熱門的積層製造 (additive manufacture) 與 3D 列印 (3D printing) 等，都時常會應用到斷層掃描技術，包括特殊 3D 結構的快速檢測，以及利用電腦演算建立 3D 檔案來進行下一步的影像調整並輸出到 3D 列印儀器進行新材料的列印。
複雜結構檢測與應用
在輕量化材料的開發中，尤其是複雜結構纖維材料、3D列印結構與短纖維結構(SCF;short carbon fiber)、融合燈絲纖維結構(FFF; fused filament fabrication)，在其 3D 纖維走向，對應力強度之反應都非常重要。由於需要檢測其纖維的厚度、寬度，以往都是使用 2D 光學偵測系統以及電子顯微鏡，但隨著對 3D 結構以及 3D 列印的重視，顯微斷層掃描技術也常被使用於這類材料的開發，首先使用顯微斷層掃描技術得到各個斷切面（Orthoslice；圖 4，[2]），並挑選特定區域 (ROI; region of interest) 進行下一步3D 分析，包含纖維直徑分析、纖維 3D 走向，以及孔隙分析（圖 5，[2]）。而這一類應用技術也常會搭配失效檢測與應力檢測，舉例來說，複雜纖維材料在進行失效處理後，依舊可以進行 3D 檢測，觀察失效前後的 3D 結構變化（圖 6），接著進行結構的細部演算（圖 7），這種 3D 影像判斷主要可以針對複雜結構裡的類血管孔隙結構與流體走向進行預估，以及進行相關的失效分析判讀和模擬。
在高端細微孔隙材料與發泡材料的開發中，近期也整合了 2D 高解析度電子顯微鏡與 3D 高解析度奈米斷層掃描檢測儀，以進行製程判讀、元素分佈，以及孔隙分布，我們可以看到在圖 8B([3]) 中，電子顯微鏡清晰地解析了切片檢體的孔隙，但我們接著會需要其孔隙之 3D 分佈和完整材料的 3D 各切面。從圖 8C、D 中可以清楚看到細微球體隻外觀以及內部的 3D 孔隙分佈，利用演算法我們可以接著避開大型孔洞進行細部孔洞分析，甚至可以進行孔隙連結，分析內部孔洞 (Closed Pores) 以及聯通外部的開放孔洞 (Open Pores)。
醫學研究與醫材開發
在醫學領域，斷層掃描提供之三維影像早已受到廣泛運用，包括臨床前醫療器材設計，以及新藥開發，透過影像處理軟體將二維醫學影像重組為三維醫學影像，不僅能提供臨床醫師更清楚的解剖構造細節，更能提供研究人員在動物試驗中的準確數據。
在新藥研發中，顯微斷層掃描佔有絕大地位，主要包括骨質疏鬆症、退化性關節炎、風濕性關節炎，以及癌症藥物等開發。例如在退化性關節炎中，顯維斷層掃描可以精確地看到關節損傷所造成的細微海綿骨磨損，並精確地進行影像定位與計算（圖 9，[4]），並協助對抗退化性關節炎之藥物開發。
在醫材開發中，尤其是新型骨材、牙材的細微演算更為重要。在牙材、骨材的開發中，會需要進行多尺度的 3D 影像演算與評估，包括新穎材料是否可以有效地吸引骨骼長入而不會造成排斥。例如我們將表面特殊處理之孔隙金屬孔隙鈦釘植入兔子中（圖 10，[5]），在實驗終點進行顯微斷層掃描試驗，利用 3D 解析與計算，可以明確觀察到新穎材料具有更好的骨骼相容性，能夠吸引骨骼在表面之長入（Bone Ongrowth，圖 11，[5])。透過動物試驗，除了可以進行活體檢測，以觀察多種不同時間點。其無損檢測的特性，檢體於試驗終點，掃描完畢後還可以進行切片染色試驗，所以這項技術在生醫領域，尤其是在藥物開發端和醫材開發端均非常受到重視與歡迎。
結語
X光斷層掃描技術可從三維整體架構出發，提供各領域包括材料 3D 檢測與生醫領域所需之非破壞性的分析，同時可與二維電子顯微鏡或組織切片等影像互相佐證。除了有先進的儀器和影像分析軟體外，我們亦需要具有跨領域專業分析技術，整合三維影像、二維影像、元素分佈與模擬演算來加速研發和產品驗證。工研院奈米斷層掃描實驗室，結合醫學單位與材料專家，整合了業界頂尖的斷層掃瞄系統，包括離體顯微斷層掃描 (Bruker Skyscan 1272)、奈米與高穿透斷層掃描 (Bruker Skyscan 2211)、活體顯微斷層掃描
(Bruker Skyscan 1176) 與電子顯微鏡和表面分析檢測和元素分析系統。奈米斷層掃描實驗室亦使用專業軟體， 包 含 Bruker 軟 體 與 Avizo(Thermo Fisher) 整合智慧演算與複雜影像，以提供符合 3D 列印與腦計算之檔案或複雜分析之數據，來提供用戶所需之數據進行產品開發、製程監控以及論文發表。■
參考文獻
[1].Micro-CT in geoscience Getting the inside story. BrukermicroCT webinar 2017.
[2].Mechanical behaviour of 3D printed composite parts with short carbon fiber reinforcements. Engineer Failure Analysis. 107; 2020; 104232.
[3].Micro-CT analysis of deviations in fiber orientation and composite stiffness near the microvascular channels Membedded in glass-fiber reinforced composites. Composite Structure. 237; 2020; 111896
[4].Fabrication of Asymmetrical and Gradient Hierarchy Structures of Poly‑p‑xylylenes on Multiscale Regimes Based on a VaporPhase Sublimation and Deposition Process. Chemistry of Materials. 32; 2020; 1120-1130.
[5].Noggin Inhibits IL-1 and BMP-2 Expression, and Attenuates Cartilage Degeneration and Subchondral Bone Destruction in Experimental Osteoarthritis. Cells. 9; 2020; 927
[6].Improvement of bone‐tendon fixation by porous titanium interference screw: A rabbit animal model. Journal of Orthopaedic Research. 36; 2018; 2633-2640
