口腔頜面錐形束CT金屬偽影的研究進(jìn)展

劉 煜，趙 彬

口腔頜面部錐形束CT(cone beam computed tomography, CBCT)以其較低的輻射劑量、較高的空間分辨率和三維可視化圖像等優(yōu)點(diǎn)，為口腔醫(yī)師提供了可靠的影像學(xué)數(shù)據(jù)[1-2]。但隨著修復(fù)和種植材料的廣泛應(yīng)用，一些口腔金屬材料在CBCT圖像中產(chǎn)生的金屬偽影可能會影響口腔醫(yī)師的術(shù)前評估和疾病診斷。為了減少金屬偽影對圖像質(zhì)量帶來的影響，近年來，學(xué)者們從參數(shù)設(shè)置和圖像后處理技術(shù)方面研究和探索減少金屬偽影的方法。本文就金屬偽影的產(chǎn)生、影響及其減少方法進(jìn)行綜述，為口腔放射醫(yī)師在CBCT掃描前選擇最適的金屬偽影減少方法提供參考依據(jù)。

1 金屬偽影的產(chǎn)生和影響

1.1 金屬偽影的產(chǎn)生

偽影是損害CBCT圖像診斷質(zhì)量的主要因素之一[2]。通常，偽影可以定義為圖像中與研究對象無關(guān)的任何圖像失真或錯誤，這可能是由實(shí)際物理?xiàng)l件和用于三維重建的數(shù)學(xué)格式之間的差異引起的[3]。偽影的存在會降低對比度和模糊結(jié)構(gòu)，限制了感興趣區(qū)域的診斷價值，最終損害了CBCT圖像質(zhì)量[4]。CBCT成像中的偽影可根據(jù)其來源分為不同的類別：①圖像采集中涉及的物理過程產(chǎn)生的偽影；②患者口中存在金屬材料以及患者運(yùn)動產(chǎn)生的偽影；③由掃描設(shè)備功能缺陷引起的偽影[5]。對于口腔疾病診斷影響較大的金屬偽影主要是由于光束硬化產(chǎn)生的，由于CBCT的X射線具有多色性，當(dāng)較低能量的射線穿過金屬材料時被吸收的較多，導(dǎo)致平均能量升高，能量的這種增加稱為“變硬”，這會導(dǎo)致衰減的X射線束由于吸收差異而失真，并在兩個相鄰的不透射線物體之間產(chǎn)生條紋和暗帶[3]。條紋和暗帶可能會遮蓋關(guān)鍵的解剖部位或者模仿骨折線和骨缺損從而影響疾病的診斷。

1.2 金屬偽影的影響

1.2.1 金屬偽影對于牙根縱裂的影響 牙根縱裂是指牙根發(fā)生完全或不完全的縱向裂紋，折線通常沿著牙根從根管到牙周韌帶的長軸延伸，累及牙齒結(jié)構(gòu)、牙髓和牙周組織[6]。在臨床檢查及X線片無法確診時，推薦使用CBCT輔助診斷[7]。然而，由于受到根管內(nèi)高密度材料產(chǎn)生的金屬偽影的干擾，會影響CBCT診斷牙根縱裂的準(zhǔn)確性[8]。Marinho等[9]研究表明，與用金屬根管樁修復(fù)的牙齒相比，根管內(nèi)無任何修復(fù)材料的牙齒和用纖維根管樁修復(fù)的牙齒受金屬偽像的干擾較小，牙根縱裂的診斷率更高。Dutra等[10]研究顯示，在CBCT橫斷面圖像上除非骨折線達(dá)到牙根根尖三分之一處，根管內(nèi)存在金屬樁時就會干擾牙根縱裂的診斷。此外，當(dāng)存在種植體時，CBCT中由種植體產(chǎn)生的金屬偽影也會影響種植體鄰近牙齒牙根縱裂的診斷[11-12]。

1.2.2 金屬偽影對于種植體周圍骨缺損的影響 由于相鄰結(jié)構(gòu)的重疊，二維的X線片(包括根尖片和全景片)在評估種植體周圍骨缺損時較困難。CBCT已被廣泛用于種植術(shù)前植入位點(diǎn)骨量的評估，然而種植體、正畸托槽、根充材料等產(chǎn)生的金屬偽影會降低CBCT圖像質(zhì)量并干擾種植體周圍骨的可視化，這可能影響醫(yī)師的治療決策[13]。Eskandarloo等[14]在牛肋骨中植入31顆鈦種植體，在每個種植體頸三分之一區(qū)域的骨周圍人為形成骨缺損，采集CBCT圖像，與未形成骨缺損時的CBCT圖像相比，種植體產(chǎn)生的金屬偽影會干擾種植體周圍骨缺損的診斷。Schriber等[15]研究發(fā)現(xiàn)，CBCT中氧化鋯種植體產(chǎn)生的金屬偽影對種植體周圍骨缺損的評估產(chǎn)生了干擾，而且對種植體周圍骨缺損的寬度以及種植體直徑和長度的評估均有影響。

1.2.3 金屬偽影對于計(jì)算機(jī)輔助外科的影響 近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形以及處理技術(shù)的提高，計(jì)算機(jī)輔助外科(computer-asisted surgery, CAS)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅取得了更好的治療效果，而且減少了手術(shù)時間和成本[16]。口腔頜面部計(jì)算機(jī)輔助外科的基本步驟是將掃描得到的CBCT圖像轉(zhuǎn)換成感興趣解剖區(qū)域的虛擬三維模型，這一轉(zhuǎn)換過程需要準(zhǔn)確分割CBCT圖像中的牙齒和骨骼結(jié)構(gòu)[17]。然而，受到例如銀汞合金、冠修復(fù)體、種植體等高密度金屬物體產(chǎn)生的金屬偽影干擾，影響了圖像的分割[1]。具體而言，X射線束路徑中由于高密度金屬物體的存在而產(chǎn)生射束硬化現(xiàn)象，導(dǎo)致CBCT圖像中出現(xiàn)特有的明、暗條紋偽影，這些條紋偽影會模糊解剖結(jié)構(gòu)并降低相鄰區(qū)域之間的對比度，從而阻礙牙齒與上、下頜骨中骨結(jié)構(gòu)的分割過程。

2 減少金屬偽影的方法

2.1 參數(shù)設(shè)置

2.1.1 管電壓 X線的產(chǎn)生需要陽極和陰極之間的高電壓，即管電壓。CBCT球管發(fā)出的光束是多能的，電子從陰極釋放并加速到陽極，在球管中產(chǎn)生韌致輻射，其最大能量由管電壓決定。Freitas等[18]評估鈦和氧化鋯種植體在不同管電壓條件下的CBCT圖像，在選取的橫斷面圖像上計(jì)算種植體周圍感興趣區(qū)域的灰度值標(biāo)準(zhǔn)差和對比度噪聲比，以此評估金屬偽影產(chǎn)生的多少，結(jié)果顯示升高管電壓可有效減少種植體產(chǎn)生的金屬偽影。Vasconcelos等[19]評估氧化鋯種植體在CBCT中產(chǎn)生的金屬偽影，同樣證實(shí)了通過升高管電壓，會減少氧化鋯種植體金屬偽影的產(chǎn)生。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在離體干燥的下頜骨中研究不同管電壓下鈦和氧化鋯種植體在CBCT中產(chǎn)生的金屬偽影，實(shí)驗(yàn)表明，增加管電壓仍可有效減少兩種材料種植體的金屬偽影，并且氧化鋯種植體比鈦種植體產(chǎn)生更多的金屬偽影[20]。雖然增加管電壓會減少CBCT中的金屬偽影，但管電壓的升高會增加輻射劑量，所以臨床上應(yīng)綜合考慮診斷目的合理調(diào)節(jié)管電壓。

2.1.2 管電流 電子高速射向陽極所產(chǎn)生的電流即為管電流，與管電壓不同，管電流和曝光時間與離開電子管的X射線光子數(shù)量成正比，即與輻射劑量成正比。 Gaêta-Araujo等[21]的研究表明，對于根管內(nèi)存在牙膠或金屬樁的牙齒，CBCT中管電流的增加會提高牙根縱裂診斷的準(zhǔn)確性。當(dāng)根管內(nèi)無充填材料的牙齒發(fā)生了牙根縱裂，其相鄰兩顆牙都有金屬根管樁修復(fù)時，金屬根管樁產(chǎn)生的金屬偽影就會干擾牙根縱裂的診斷，但將管電流增加到8 mA時則能提高診斷的準(zhǔn)確性[12]。然而，F(xiàn)ontenele等[11]的CBCT研究顯示，與氧化鋯種植體相鄰的牙齒發(fā)生牙根縱裂時，管電流的增加并不能提高牙根縱裂診斷的準(zhǔn)確性，這一相反的發(fā)現(xiàn)可能是由于氧化鋯種植體中鋯的原子序數(shù)較高造成的，認(rèn)為高原子序數(shù)材料獲得的CBCT圖像產(chǎn)生的金屬偽影更多，管電流增加的效果不明顯。

2.1.3 視野 由于投影數(shù)據(jù)的不連續(xù)性和散射輻射的影響，視野大小會影響CBCT圖像的質(zhì)量以及金屬偽影的產(chǎn)生[22-23]。Shokri等[24]評估在不同CBCT曝光參數(shù)以及不同骨密度條件下種植體周圍的金屬偽影，發(fā)現(xiàn)無論骨密度如何，小視野圖像中的金屬偽影數(shù)量均低于大視野的，因此建議使用較小視野的CBCT減少金屬偽影。Costa等[25]用CBCT兩個尺寸視野(100 mm×100 mm和40 mm×40 mm)掃描含有金屬物體的蠟圓柱體，結(jié)果顯示與小視野相比，使用大視野獲得的圖像呈現(xiàn)出更高的噪點(diǎn)。另外，視野中金屬材料的位置也會影響金屬偽影的產(chǎn)生，當(dāng)其不在視野中央時，會產(chǎn)生更多的金屬偽影，影響圖像的診斷[26]。Valizadeh等[27]評估了CBCT中有金屬根管樁修復(fù)的牙齒在視野中不同位置時牙根縱裂診斷的準(zhǔn)確性，結(jié)果位于視野中央的牙齒其診斷的靈敏度較高，有助于檢測牙根縱裂。由此可知，CBCT中的各項(xiàng)參數(shù)中，視野對患者所接受的放射線劑量具有重要影響，因此在考慮診斷任務(wù)的情況下，建議將待診斷區(qū)域放在視野中央并選擇較小的視野進(jìn)行掃描。

2.1.4 體素 三維圖像的體素相當(dāng)于二維圖像的像素，體素的大小決定著CBCT圖像中的空間分辨率的高低，較小的體素意味著更高的空間分辨率，并且能提高受金屬偽影干擾的圖像質(zhì)量[28]。有研究認(rèn)為使用較小體素的掃描模式并將待診斷區(qū)域放置在視野的中央是減少CBCT金屬偽影的理想方式[29]。Uysal等[30]收集100顆人下頜單根管的前磨牙，經(jīng)根管治療后隨機(jī)選取其中50顆模擬牙根縱裂，研究顯示CBCT對根管治療后單根管牙的牙根縱裂具有很高的診斷準(zhǔn)確性，與較低分辨率的CBCT相比，較高分辨率(0.125 mm和0.200 mm體素尺寸)的CBCT提高了檢測的靈敏度。雖然較小的體素會減少金屬偽影的干擾，提高疾病診斷的準(zhǔn)確性，但是較小的體素提高了圖像的空間分辨率也增加了輻射劑量。因此建議臨床上選擇輻射劑量相對較低的體素尺寸進(jìn)行掃描，在不影響診斷的前提下盡可能地減少患者接受的輻射劑量。

2.1.5 材料種類 材料的密度和原子序數(shù)會影響金屬偽影的產(chǎn)生[31]。銀汞合金、銅鋁合金、鈦、氧化鋯等口腔科常用材料均會產(chǎn)生金屬偽影，其產(chǎn)生的多少與材料密度以及原子序數(shù)成正相關(guān)[32]。有研究發(fā)現(xiàn)，與上述材料相比，銀汞合金在CBCT中觀察到最多的金屬偽影，其次是銅鋁合金、氧化鋯和鈦[22]。這些材料產(chǎn)生的金屬偽影會降低圖像質(zhì)量，并遮蓋或模仿感興趣區(qū)域中的解剖結(jié)構(gòu)而影響診斷。最近，石墨烯衍生物類復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的研究[33]，Nejaim等[32]在聚乳酸/羥基磷灰石復(fù)合材料中添加氧化石墨烯，比較了該新型復(fù)合材料與銀汞合金、銅鋁合金、鈦和牙膠四種牙科材料產(chǎn)生的金屬偽影，結(jié)果表明：與其他測試材料相比，新材料產(chǎn)生的金屬偽影明顯減少?？傊醒趸┑男滦蛷?fù)合材料在口腔醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，也給解決CBCT中金屬偽影減少問題提供了新的思路。

2.2 金屬偽影減少算法

自計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography, CT)技術(shù)問世以來，已經(jīng)引入了許多金屬偽影減少(metal artifact reduction，MAR)技術(shù)，它們可以分為兩大類：基于迭代的方法和基于插值的方法[3]?；诘姆椒ㄔ跍p少金屬偽影方面已顯示出較好的性能，但由于計(jì)算量過多，在CBCT中其臨床應(yīng)用仍然受到限制。大多數(shù)使用的MAR技術(shù)都是基于插值的方法，后者通過插值將金屬軌跡數(shù)據(jù)替換為根據(jù)周圍數(shù)據(jù)估計(jì)的數(shù)據(jù)，雖然可以極大地減少金屬偽影，但可能會產(chǎn)生二次偽影[34]。因此，正確的金屬分割對于CBCT成像中MAR的成功至關(guān)重要。

近年來，一些學(xué)者利用深度學(xué)習(xí)(deep learning, DL)技術(shù)來解決CBCT中MAR二次偽影的問題[35-36]。一種方法是在投影域上融入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，采用簡化U-net深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在投影域中進(jìn)行金屬分割，其比傳統(tǒng)的基于圖像域的金屬分割方法具有更好的MAR性能。另一種方法是利用有監(jiān)督的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，建立一個從模擬到實(shí)用的金屬偽影減少系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)，用于減少CBCT圖像中的金屬偽影，該系統(tǒng)將MAR問題轉(zhuǎn)換為插值-偽影減少問題，從粗插值重建中恢復(fù)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這樣一來，以插值MAR為橋梁的模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)就能夠模擬真實(shí)數(shù)據(jù)中的類似特征，該網(wǎng)絡(luò)可以對模擬和真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，易于實(shí)現(xiàn)且計(jì)算成本小，具有一定的臨床應(yīng)用價值。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network, CNN)是DL的一種，除了對DL作為診斷輔助手段的研究外，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，CNN還因其在預(yù)后評估、圖像分割等方面的優(yōu)勢而被研究[37]。Minnema等[38]提出了一種混合尺度的密集卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(mixed-scale dense convolutional neural network, MSD CNN)，該方法在CBCT圖像中用來分割受金屬偽影干擾較大的牙齒和骨骼結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)表明，MSD網(wǎng)絡(luò)的分割性能與最先進(jìn)的U-Net和ResNet CNN結(jié)構(gòu)相當(dāng)，且在使用更少的訓(xùn)練參數(shù)同時保留了更多的解剖細(xì)節(jié)。Lee等[39]使用完全卷積網(wǎng)絡(luò)(fully convolutional network, FCN)實(shí)現(xiàn)CBCT中投影域和圖像域的深度學(xué)習(xí)過程，通過對一個帶有多個金屬嵌體的牙齒模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該方法能夠提高M(jìn)AR的性能。由此可知，DL為去除CBCT中金屬偽影提供了獨(dú)特的解決方案，雖然DL技術(shù)方興未艾，但是存在黑箱問題，缺乏可解釋性，還需要進(jìn)一步的研究。

2.3 雙能技術(shù)

CBCT圖像中金屬偽影減少的另一種方法是運(yùn)用雙能(dual energy，DE)技術(shù)。其最先運(yùn)用于CT中，通過高、低能量下X射線獲得的CT數(shù)據(jù)，不僅提供了圖像中物質(zhì)成分的定量信息，而且還能將其區(qū)分，減少了射束硬化造成的金屬偽影[40]。與傳統(tǒng)的CBCT相比，DE-CBCT可以通過對X射線源、探測器和采集工作流程的修改來實(shí)現(xiàn)[41]。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，Hegazy等[42]利用能量差較小的雙能量成像技術(shù)，在80 kVp和90 kVp下采集的CBCT圖像提供了金屬物體清晰的對比變化，將金屬物體與牙齒或骨骼精確地區(qū)分開來。在以后的研究中，還需驗(yàn)證DE-CBCT對口腔中不同種金屬材料的偽影糾正效果，同時也需更多的臨床研究來進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可靠性。

綜上所述，CBCT中的金屬偽影主要是由高密度金屬材料產(chǎn)生的射束硬化現(xiàn)象導(dǎo)致的，這會降低圖像質(zhì)量并影響口腔醫(yī)師的術(shù)前評估和診斷。為了減少CBCT中的金屬偽影，口腔醫(yī)師和放射技師可以通過合理調(diào)控設(shè)備參數(shù)，避免使用較高密度、較高原子序數(shù)材料以及運(yùn)用MAR技術(shù)等方法得以實(shí)現(xiàn)。但是，過高的管電壓、管電流和過小的體素值會增加輻射劑量，因此，患者在接受CBCT檢查時，要在確實(shí)符合醫(yī)學(xué)目的情況下將劑量控制在盡量低的水平(as low as reasonably achievable, ALARA)。另外，基于氧化石墨烯的納米復(fù)合材料的出現(xiàn)，MAR中DL技術(shù)的引入以及DE-CBCT的發(fā)展，可為CBCT中金屬偽影的減少提供新的思路，雖然取得了一些成果，但是尚處于初步探索階段，缺乏有效的臨床數(shù)據(jù)支持，有待進(jìn)一步的研究。