X射線成像技術在口腔臨床中的應用

張慶

國家食品藥品監(jiān)督管理總局醫(yī)療器械技術審評中心，北京 100081

引言

1895 年X 射線的發(fā)現(xiàn)在人類歷史上具有極其重要的意義，它為自然科學和醫(yī)學開辟了一條嶄新的道路，德國物理學家倫琴因此榮獲第一個諾貝爾物理學獎。1896 年，德國牙醫(yī)Walkhoff 身先士卒，接受了25 min 的X 射線照射，拍下了自己牙齒的照片[1]。1905 年世界上第一臺商用牙科X 線機“REKORD”開始生產(chǎn)。1961 年首臺商用模擬全景機應用于臨床。1982 年推出了第一代DR 設備RVG，用于口內(nèi)X 線攝影，輻射劑量只有傳統(tǒng)膠片劑量的十分之一。1994 年，應用于口腔的CR 系統(tǒng)誕生。1996 年，基于CCD的數(shù)字化技術應用于曲面體層成像[2]。1998 年生產(chǎn)了第一臺商用機型口腔頜面錐形束計算機體層攝影設備，2001 年CBCT 機被正式生產(chǎn)并應用于口腔臨床[3]。經(jīng)過100 多年的發(fā)展，X 射線設備在口腔臨床的應用日趨廣泛，包括口內(nèi)牙科X 線機、口腔曲面體層X 線機、口腔頜面錐形束計算機體層攝影設備等，本文對這些設備的相關技術及其在口腔臨床中的應用進行綜述。

1 口內(nèi)牙科X線機

1.1 功能簡介

口內(nèi)牙科X 線機，臨床中一般簡稱為牙片機，是一種口腔科專用X 線機，用于對口內(nèi)1～3 顆牙齒進行2D 成像。對攝影成像時間、曝光拍攝角度、曝光寬容度、攝影圖像質(zhì)量與儲存空間等各方面對比結(jié)果顯示，數(shù)字化X 線攝影效果均優(yōu)于普通X 線牙片。數(shù)字化X 線攝影能夠準確將牙齒口外患者的牙齒患病情況反映出來，比較快速地得到影像，使患者在檢查數(shù)秒后就能得到結(jié)果，同時減少被照射劑量的吸收。

1.2 技術簡介

口內(nèi)牙科X 線機的主要部件包括口外X 射線發(fā)生器和口內(nèi)影像接收器?？趦?nèi)影像接收器用于接收X 射線并轉(zhuǎn)換為圖像。

在X 射線發(fā)生器方面，早期多使用50 Hz 工頻X 射線發(fā)生器，隨著技術進步，目前基本都已改用高頻X 射線發(fā)生器。高頻X 射線發(fā)生器將工頻50 Hz 電源經(jīng)過整流、RLC 振蕩得到高頻（20 kHz 以上）直流電源，用于產(chǎn)生X 射線。相對于工頻發(fā)生器，高頻發(fā)生器具有更高的穩(wěn)定性和精度，可以保證圖形質(zhì)量穩(wěn)定。國內(nèi)生產(chǎn)高頻發(fā)生器的廠家有天津精工、鄭州天杰等[4]，也產(chǎn)生了一些中國專利[5-6]。

在影像接收器方面，傳統(tǒng)的影像接收器為膠片，后來出現(xiàn)IP 板，最新類型為數(shù)字化影像接收器，這是目前世界上主要的口內(nèi)X 線機生產(chǎn)廠家的研發(fā)重點。數(shù)字化影像接收器也簡稱為探測器，可以省去沖洗膠片的時間與人力，消除化學洗片試劑對人體和環(huán)境的影響，并實現(xiàn)信息的數(shù)字化。相對于IP 板，數(shù)字化影像接收器可以直接生成圖像，不再需要掃描儀，節(jié)約了成本并簡化了操作環(huán)節(jié)。更重要的是，數(shù)字化影像接收器對X 射線更為靈敏，大大減少病人吸收的射線劑量[7]。

1.3 臨床應用

口內(nèi)牙科X 線機結(jié)構簡單、價格低廉，其成像范圍雖然小，但所獲得的圖像具有極高的分辨率。目前，X 線機廣泛應用于牙體、牙髓和牙周病等口腔臨床領域，用于進行局部牙齒病變部位、范圍、程度的確定。另外，傳統(tǒng)X線反映的牙槽骨的破壞程度往往比實際情況要小，加上拍攝角度、沖洗時間及曝光時間可復性很差，使得X 線片的對比度與間密度差異性很大，未能準確判斷牙槽骨變化情況，而數(shù)字化放射影像技術則可將牙槽骨的細微變化顯示出來，從而提高準確性與靈敏度。

2 口腔曲面體層X線機

2.1 功能簡介

口腔曲面體層X 線機，臨床中一般簡稱為全景機，它是指通過曲面體層攝影的掃描方式生成曲面體層影像、顯示口腔正常組織和病變組織結(jié)構的X 射線攝影設備，也包括組合頭影測量攝影（獲得頭顱正側(cè)位和/或手腕部的二維影像）的設備[8]。其主要功能是拍攝口腔全景片和頭顱定位片（包括正位片和側(cè)位片）[9]。部分機型還提供拍攝顳頜關節(jié)片、上頜竇片和線性斷層片的功能。它是體層攝影機的一種改進，體層攝影機只能照出組成一個平面的體層影像，而口腔頜面部組織具有一定的弧度，曲面體層機的設計是使X 線源與膠片或信號接收器運動同步，將被檢體置于X 線機及膠片或信號接收器之間，X 線機與膠片或信號接收器按被檢體的弧度做相反方向運動，X 線球管圍繞患者轉(zhuǎn)，從一側(cè)顳下頜關節(jié)到另一側(cè)顳下頜關節(jié)，攝取這個弧形組織一層弧形面體層影像，有稱為全景攝影者，其實它所攝取的組織并非全景，而只是口腔頜面部弧形面的體層影像。

2.2 技術簡介

通?？谇磺骟w層X 射線機由高壓發(fā)生器與X 射線源組件一體化的組合式機頭（即X 射線管頭）、影像接收裝置、旋轉(zhuǎn)架、升降立柱、患者支撐裝置、控制裝置、輔助定位裝置、工作站等組成。

傳統(tǒng)口腔曲面體層X 射線機使用的影像接收器為膠片，目前則以數(shù)字化影像接收器為主，即以CCD 或CMOS 影像接收器探測X 射線，經(jīng)過相應的處理直接得到數(shù)字化的患者圖像。數(shù)字化設備具有圖像清晰、圖像存儲方便、工作效率高等優(yōu)點[10]，完成掃描后約10 s 即可在影像工作站顯示初始的影像。對頜骨和牙齒攝影得到的全景片還可以進行后處理，使全口牙齒、上下頜骨以及顳下頜關節(jié)的影像得到更清晰、突出的顯示。數(shù)字化設備上經(jīng)過后處理的影像質(zhì)量明顯優(yōu)于使用膠片的傳統(tǒng)設備的影像[11]。

2.3 臨床應用

口腔曲面體層X 射線機可以一次性獲得全口牙齒的2D 圖像，使頜骨及全口牙體層攝影在一幅圖片上呈現(xiàn)左右展開的平面圖，同時將上頜骨、下頜骨、下頜關節(jié)、上頜關節(jié)和鼻腔等部位顯示，從而達到全面了解全部牙列的咬頜關系、牙的遠近中傾斜角度、乳牙恒牙的交替情況。另外，X 射線機也可對多發(fā)病變以及需要雙側(cè)對照的病變進行診斷及鑒別診斷，對莖突綜合征、較大的牙槽突骨折及下頜骨多發(fā)骨折的定位、定向均有診斷價值，且具有觀察全面、操作簡便、兒童及老弱患者容易接受的特點。因此，此設備被廣泛應用于牙周病、阻生牙、牙種植、異位埋伏阻生牙、多生牙、正畸（牙排列不齊）、上下頜骨骨質(zhì)病變、頜面外傷、腫瘤、骨缺損等的診斷[12]。

大部分口腔曲面體層X 線機兼有拍攝頭顱定位片的功能，可以借助專門的頭影測量軟件對圖像進行測量分析，已成為口腔正畸及口腔外科等學科臨床診斷、治療設計及研究工作的重要工具。

3 口腔頜面錐形束計算機體層攝影設備

3.1 功能簡介

口腔頜面錐形束計算機體層攝影設備（Cone-Beam Computerized Tomography，CBCT），它是一種通過X 射線錐形束計算機體層攝影掃描，以重建的三維影像的軸位、冠狀位、矢狀位以及三維立體影像的方式顯示口腔頜面部乃至整個頭顱的正常組織和病變組織結(jié)構的X 射線影像設備，包括組合了口腔頜面錐形束體層攝影（標配）和/或口腔頜面曲面體層X 射線攝影（獲得口腔頜面部的曲面體層影像）和/或頭影測量攝影（獲得頭顱正側(cè)位的二維影像）和/或手腕部X 射線攝影（獲得手腕部的二維影像）的設備[12]。此設備可以提供由多平面2D 圖像組成的全口牙齒的3D 影像，對影像進行包括冠狀位、矢狀位、橫截面等在內(nèi)的多切片觀察，且能夠直觀地顯示三維立體結(jié)構，為醫(yī)生診斷口腔頜面部疾病提供了重要的臨床依據(jù)。

3.2 技術簡介

3.2.1 CT技術

CT，即計算機斷層成像技術，是通過利用物體在不同角度的射線投影來獲取物體橫截面信息的成像技術。CT 設備同樣具有X 射線發(fā)生器和數(shù)字化影像接收器兩大關鍵部件。按X 射線束的幾何形狀可以將其分為扇形束和錐形束。

扇形束CT 的工作模式又分為圓軌道扇束和螺旋扇束：在圓軌道扇束中，通過窄的扇形X 線穿透人體來采集數(shù)據(jù)，對人體成像是一層一層進行的，每完成一層掃描后進行微小距離的軸向移動后進行下一層掃描，最終影像是通過堆疊多層2D 圖像來獲取的。在螺旋扇形束CT 中使用的探測器通常是多排線性探測器陣列，這種構造方法使得設備最多可以同時采集640 層影像，并在旋轉(zhuǎn)掃描的過程中進行軸向移動，相比于單排系統(tǒng)大幅縮短了掃描時間，并且能在相當?shù)偷姆派鋭┝肯芦@得3D 影像。嚴格來說，使用多排線性探測器陣列的CT 設備已經(jīng)屬于錐形束范圍，但業(yè)內(nèi)一般將“CBCT”專用于指使用二維面陣探測器的設備。

3.2.2 CBCT技術

CBCT 的基礎工作原理如圖1 所示。使用錐形束X 射線發(fā)生器和面陣探測器，圍繞檢查對象，并按一定的角度間隔旋轉(zhuǎn)360°掃描來獲得物體在各個角度的二維投影圖像。然后利用錐形束CT 重建算法，如FDK 算法，來獲得各向同性的三維體數(shù)據(jù)。

圖1 CBCT工作原理

3.2.3 CBCT與螺旋CT的比較

CBCT 與螺旋CT（螺旋扇形束CT）的最大區(qū)別在于螺旋CT 的投影數(shù)據(jù)是一維的，重建后的圖像數(shù)據(jù)是二維的，重組的三維圖像則是連續(xù)多層二維圖像堆積而成，圖像在空間上是各向異性的，層間距大于層內(nèi)像素尺寸[13]。而CBCT 用二維面陣探測器來代替螺旋CT 的線狀探測器，獲得的投影數(shù)據(jù)是二維的，重建后直接得到三維圖像，圖像在三個坐標方向的間距相等，即圖像具有很高的各向同性空間分辨力。與傳統(tǒng)醫(yī)用多層螺旋CT（MDCT）使用120 kV 和400 mA 不同，CBCT 使用的是低電壓和低電流，圍繞患者頭部進行180°～360° 單次旋轉(zhuǎn)掃描，因此總共的輻射量僅為20～500 μSv，遠低于過去的MDCT的2100 μSv[14]。另外，過去層式CT 的掃描厚度大約為0.5 mm～1 cm，而CBCT 單層厚度能達到80～400 μm，這樣就大大提高了圖像的精確性，能捕捉更多的解剖細節(jié)。

CBCT 視野的大小一般由探測器的尺寸、形狀、射線的幾何形狀和校準等因素決定。隨著技術的成熟，新的CBCT 基本能根據(jù)每個病人的患病情況和術區(qū)，選擇相應的視野，可以通過縮小FOV 來提高該區(qū)域內(nèi)的分辨率，明確對細小解剖特點的診斷。另外，視野越小，輻射量越低。根據(jù)ALARP 原則（即最低合理可行原則），在不影響診斷的情況下，需要盡可能地降低輻射量。在牙體牙髓疾病中，受影響區(qū)域一般比較局限，小至中等的FOV 已經(jīng)能提供足夠的信息。便于醫(yī)生將掃描更集中在關注區(qū)域，減少來自其他區(qū)域的影響。同時，縮短掃描時間，降低患者在掃描期間因移動所導致的圖像變形，進一步提高圖像質(zhì)量。

關于分辨率方面，雖然CBCT 和CT 的圖像組成單位都是體素，但是后者的體素是各向異性的，其高度由CT 掃描的層厚決定，所以重建后的圖像由于掃描層厚的變化導致在某些特定平面（如矢狀面），無法精準重現(xiàn)真實結(jié)構。相反，CBCT 中的體素都是各向同性的，即在長、寬、深度上完全一致，所以能得出高精度的幾何圖像。在8 個頭顱骨上分別于掃描前后，進行13 種不同的測量，發(fā)現(xiàn)CBCT 能接近完全還原實物的解剖特點[15]。有文獻提出不論頭顱朝向哪，CBCT 在二維和三維上都擁有高度精確性，而且在圖像上進行的線性測量也非常可靠，明確了CBCT 在容量上的精準分析，可以作為檢測根尖周暗影大小和監(jiān)控愈合的金標準[16]。

3.3 臨床應用

CBCT 在口腔臨床中的口腔種植、口腔頜面外科、牙體牙髓、牙周病學以及口腔正畸發(fā)揮著越來越重要的作用。最開始應用于對牙齒種植前牙槽骨狀況的評估以及對鼻竇、神經(jīng)管等重要部位的定位[17]，手術實施前首先要評估患者頜骨的骨質(zhì)、骨量，并掌握下頜神經(jīng)管、鼻竇等重要組織的位置，然后據(jù)此確定種植手術的可行性以及種植體的類型、尺寸、植入位置、植入路徑、植入深度等參數(shù)。在一些種植軟件如Simplant、Nobel clinician 和3shape 的幫助下，CBCT設備可以輔助種植手術的設計，制作種植導板，精確控制種植體的位置、方向、長度、直徑等，確保手術及后期修復的成功，微創(chuàng)種植技術也成為最近的熱門。另外在阻生牙分析、牙體牙周病診斷和顳下頜關節(jié)病診斷上，靈敏度、速度和精度也都得到了驗證。近年來隨著CBCT 硬件技術的進步與重建算法的不斷優(yōu)化，CBCT 圖像質(zhì)量不斷提高，也因此與口腔臨床日益緊密結(jié)合，如在頜面外科[18-19]、牙科[20-21]以及顱面外科[22-25]等領域有了更廣發(fā)的應用。