口腔錐形束CT的輻射劑量與防護

張慶

國家食品藥品監督管理總局醫療器械技術審評中心，北京 100081

引言

1972年4月，英國電子工程師Hounsfield根據奧地利數學家Radon提出的圖像重建理論，發明了計算機斷層掃描設備（Computer Tomography，簡稱CT），為醫生的臨床診斷和治療提供了極大的幫助[1]。1998年，意大利工程師研制成功并生產了第一臺口腔用錐形束計算機斷層掃描設備（Cone Beam Computer Tomography，簡稱CBCT）。相對于全身CT，口腔CBCT具有掃描時間快，成像時間短，圖像分辨率高，輻射劑量率低等特點，可用于多種口腔疾病的檢查和治療方案設計，具有巨大的臨床應用價值[2]。盡管CT掃描是必不可少的診斷工具，但X射線的電離輻射性質也引發了公眾的擔憂和爭論[3]。無論生產廠商、設備使用者都積極探索降低其輻射水平的方法，并已經逐步運用在設備制造和設備使用中[4]。本文全面介紹了X射線輻射原理，CBCT輻射水平的影響因素，降低劑量的技術手段等，為醫生提供參考。

1 輻射與效應

1.1 X射線輻射原理與劑量表征

輻射是指以電磁波或高速粒子的形式向周圍空間或物質發射并在其中傳播的能量的統稱。X射線屬于輻射的一種，它是高速電子轟擊靶材料（一般為金屬鎢），使靶材料原子中的電子發生躍遷，進而發射的一種電磁波[5]。當高能X射線照射生物體時，可與機體細胞、組織、體液中的物質發生能量傳遞或交換，引起物質的原子或分子電離，從而直接殺傷細胞，或誘發細胞發生基因突變，從而可能導致癌癥發生[6]。

輻射導致癌癥的風險取決于輻射本身的性質和暴露在輻射下的身體部位、體型、年齡和性別等因素。人體各組織或器官對輻射的敏感性可以用組織權重因數WT表示，對射線越敏感的組織WT越大（表1[7]）。例如，同等條件下，照射甲狀腺比照射皮膚的有效劑量大4倍。

表1 建議的組織權重因數

受照物質發生的輻射效應與該物質的受照質量及吸收的輻射能量相關。通常用吸收劑量D來表示單位質量的受照物質吸收電離輻射能量的大小,用有效劑量E對人體在不同照射條件和受照部位受到的輻射影響進行定量的比較。有效劑量的定義是，不同類型的輻射照射人體，單位質量的器官或組織吸收的輻射能量乘以相應的組織權重因數后的和，見式(1)。

式(1)中，WT是人體組織或器官T的組織權重因數；WR是輻射R的輻射權重因數；DT，R是輻射R在人體組織或器官T內的吸收劑量。吸收劑量的計量單位是戈瑞，用符號Gy表示；有效劑量的計量單位是希沃特，用符號Sv表示。

全身所有組織的權重因數之和為1，當人體受到X射線全身急性照射時，可以認為有效劑量在數值上約等于吸收劑量[6]。

自然環境中廣泛存在天然輻射，世界平均每人每年約有2.4 mSv有效劑量來自天然輻射，接近輻照總量的2/3，他們產生自宇宙射線、天然放射性核素和人類活動引起的天然輻射的增加。放射診斷造成的有效劑量僅占人均有效劑量的1/6，遠低于天然輻射[6]。

1.2 輻射效應

輻射對人體的影響可分為隨機性效應和確定性效應。確定性效應主要針對大劑量的急性照射，只有在劑量達到一定閾值以上才會發生，而其嚴重程度取決于劑量的大小。受X射線全身急性照射可能產生的效應如表2[7]所示。

表2 受X射線全身急性照射效應表

聯合國原子輻射效應科學委員會（UNSCEAR）1993年報告中，將劑量率低于0.1 mGy/min的或劑量小于0.2 Gy的急性照射看作是低劑量照射[8]。這個劑量范圍內的輻射效應屬于隨機性效應，輻射效應發生的概率與所吸收的輻射劑量成正比。

2 口腔CBCT劑量分析

2.1 口腔CBCT輻射劑量

口腔CBCT將錐形X射線束圍繞受照者欲成像的體層旋轉，獲取足夠多方向的投影，將投影數據存儲在計算機中，通過重建算法處理為數字矩陣，矩陣中每個數字的大小代表圖像中對應像素的灰度值[1]。根據設備類型、受檢者身體狀況、系統及其操作技術的不同，口腔CT的有效劑量可能相差10倍以上。圖1[9]列出了具有代表性的診斷手段和相關劑量，表3[10]列出了CBCT不同視野的有效劑量。其中，一次小視野口腔CBCT診斷約增加35 μSv有效劑量；中視野約增加80 μSv有效劑量；大視野約增加130 μSv有效劑量[10]。CBCT作為一種必不可少的診斷手段，它的劑量和很多因素有關，如何合理、可行、盡量低地優化劑量，需要結合原理和臨床使用進行具體分析。

圖1 不同放射性診斷的有效劑量

表3 口腔CBCT有效劑量表

CBCT設備的固有設計、醫生對掃描參數的設置、受檢者體型等因素共同決定了探測器接收的X射線多少，從而影響成像質量[10]。而對探測器接收的信號進行重建的過程進一步影響成像質量。上述過程伴隨著劑量的變化。1976年Brooks提出要在劑量和噪聲之間尋找一個平衡點，也就是說，在劑量盡可能低的前提下，保證最終獲得的影像質量能夠滿足臨床診斷的需求。我國國家標準《GB16348-2010 醫用X射線診斷受檢者放射衛生防護標準》和《GBZ 179-2006 醫療照射放射防護基本要求》要求醫生根據受檢者實際情況合理選擇各種操作參數，應確保在滿足醫療診斷達到預期診斷目標的條件下，受檢者和陪檢者所受到的照射劑量最低[11-12]。也就是說，在診斷過程中需要遵循國際通用的“ALARA”（As Low As Reasonably Achievable）原則[6]。此外，還應確保醫生和公眾在此過程中所受到的輻射劑量不超過規定的劑量限值，并且遵循“ALARA”原則。

根據ICRP給出的標稱概率系數表（表4），當一個成年人受到100 μSv的當量劑量的全身照射后，對他來說引起癌癥和遺傳效應的總概率是4.2×10-4%，其中患癌的風險是4.1×10-4%。[7]作為對比，普通公眾在0～85歲之間自然患癌的風險平均高達36%。換句話說，對于任何一個人來說，醫療輻射誘發癌癥的風險與自然患癌癥的風險相比可以忽略不計。所以，受檢者接受CBCT掃描所吸收的X射線，誘發癌癥或遺傳突變導致子代遺傳相關疾病的可能性微乎其微。此外，對于兒童或胎兒的放射診斷需要額外慎重。一些研究表明，對于任何劑量的輻射，兒童患癌癥的可能性是成年人的三到四倍，因為兒童的細胞對輻射更敏感[5]。

表4 隨機性效應的標稱概率系數（%/Sv）

2.2 受檢者輻射劑量影響因素與降低方法

受檢者接受的輻射劑量水平的主要影響因素有以下幾個。

2.2.1 受檢者受照范圍和部位

準直器尺寸（視野）對劑量的影響是直觀的：當選擇的視野大，意味著采用了大尺寸準直器進行照射。此時從準直器穿過的光子數更多，照射范圍更大，受檢者的有效劑量更高（表3）[13]。另外，需要考慮不同組織或器官對射線的敏感性不同，應盡量避免敏感性高的部位受到照射。所以，當需要診斷的部位較小，就應該選擇與患處對應大小的視野或使用防護用品，盡量避免對診斷沒有貢獻的射線增加人體吸收的劑量。《GBZ 130-2013 醫用X射線診斷放射防護要求》中對于接觸X射線設備的工作人員、受檢者和陪檢者的防護用品與輔助防護設施（鉛橡膠頸套、帽子等）做了詳細要求：一般防護用品和輔助防護設施的鉛當量應不低于0.25 mmPb，針對兒童的鉛當量應不低于0.5 mmPb[14]。

2.2.2 X射線管電壓

管電壓增加時，X射線的能量相應變高，X射線穿透能力增強（圖2[15]），劑量相應增加；反之，管電壓降低能夠減少受檢者的吸收劑量，降低X射線穿透能力，使得采集到的圖像噪聲增加并產生偽影（圖3[1]）。在臨床應用中，權衡受檢者所受劑量和管電壓之間的關系是非常必要的。

2.2.3 管電流和曝光時間

因為電流影響的是初始電子的數目，進而影響X射束強度的大小，所以一般情況下，管電流和CBCT劑量大致呈線性關系[16]。曝光時間和CBCT劑量也呈線性關系。對于部分設備來說，曝光時間是設備固有設置。在實際臨床應用中，常用管電流與曝光時間的乘積（簡稱電流時間積，單位mAs）代表X線束的出束量。對于脈沖X射線束，曝光時間小于設置的掃描時間。通過提高探測器探測效率、減少電子噪聲和提高信噪比等，使探測器的效率得以提高，從而在低劑量條件下獲得更好的圖像質量。圖像重建算法具有巨大的應用潛力，它提供了在現有硬件和常規操作下有效降低劑量的可能性[20-21]。

圖2 X射線能譜隨管電壓的變化

圖3 體模直徑與噪聲的關系

2.2.4 X射線能譜

還可以通過對X射線能譜的優化來減少受檢者的輻射劑量。因為低能X射線對圖像成像沒有有益的貢獻，卻會增加輻射劑量，所以，提高高能射線的比重，可以在降低受檢者劑量的同時，有效削弱射線硬化偽影，提高圖像質量[17-18]。一般通過配備濾過器的手段來硬化X射線能譜。濾過器位于光機出束口外，材料一般為鋁或銅。濾過器的厚度與吸收低能X射線的量相關，厚度越大，則吸收的低能X射線越多。與此同時，如果鋁片過厚就會使得到達探測器的X射線過少，從而導致圖像對比度降低，噪聲增加。為了彌補這種損失，需要在一定程度上增加電流[19]。

以上影響因素中，探測器、圖像重建算法、X射線能譜、掃描時間屬于口腔CBCT設備的固有設計，他們的優化需要由設備的設計者來完成。在實際應用中，醫生通過判斷受檢者的年齡、體型、掃描部位調整掃描參數（視野、電壓、電流等）和使用防護用品，降低受檢者有效劑量。例如，對于身形健壯的受檢者，選擇較低的管電壓、管電流會造成圖像質量差，對臨床診斷造成困難。對于體型瘦小的受檢者（如兒童，青少年等），通過降低管電壓管電流，能夠在保證臨床需要的前提下有效降低劑量。

2.3 醫生和公眾輻射劑量影響因素與降低方法

除了降低受檢者劑量以外，還必須確保醫生和公眾所受到的劑量低于既定的年劑量限值。根據《GB18871-2002電離輻射防護與輻射源安全基本標準》[22]規定，輻射工作人員的年劑量限值（5年平均）為20 mSv/a，公眾為1 mSv/a（表5[22]）。

表5 有效劑量和當量劑量限值（mSv/a）

在對醫生和公眾進行防護設計之前，首先需要明確散射X射線的強度和能量。然后采用以下三種措施降低散射X射線的劑量水平：① 盡量減少人員在輻射源附近停留的時間；② 盡量擴大人員與輻射源的距離；③ 在輻射源和人員之間設置屏蔽結構[23]。其中，醫生在輻射源附近停留的時間與該設備接診的患者數量呈正相關。距離與劑量的關系遵循“平方反比定律”[23-24]：劑量D正比于距離X的平方的倒數，見公式(4)，即，從輻射源發出的劑量隨著距離的增加而大幅減少，反之，距離的縮短將導致劑量迅速增加。

雖然增加距離是一種理論上可行的防護措施，但是對于口腔醫院和診所的實際應用價值是有限的。因為空間增加造成成本的大幅上升。對于口腔CBCT設備，主要通過設置屏蔽體削弱散射X射線來達到醫生和公眾受到的輻射劑量限值的要求。在設計輻射屏蔽設施時，應根據劑量限值來確定屏蔽間(包括墻壁、門、窗、地板和天花板)的屏蔽能力。在屏蔽計算中應充分考慮輻射劑量的影響因素，例如，患者人次、設備的輻射輸出、設備的擺放和運轉以及屏蔽間的可用面積等，以確保在設施運行時不會超過劑量限值[25]。

3 小結

CBCT掃描的有效劑量遠低于天然輻射，誘發受檢者發生癌癥或子代遺傳疾病的可能性極低。即使這樣，醫生和廠商在診斷過程中仍然需要遵循“ALARA”原則，在保證臨床需要的前提下盡量降低或避免不必要的劑量。

醫生應通過判斷受檢者身體情況，權衡受檢者所受劑量和成像質量，調節參數設置。在掃描過程中還應使用恰當的防護用品。并且，對于兒童或孕婦（胎兒）的放射診斷需要額外慎重。

對于醫生和公眾受到的散射劑量，可以通過設置屏蔽體來降低散射劑量。在設計輻射屏蔽設施時，應充分考慮設備當前的使用頻率和行業未來的發展。可以預見口腔CBCT在未來的應用將更加廣泛，建議設備采購方將屏蔽間的屏蔽能力設計得更加保守，以防止將來工作負載增加時更改屏蔽設施。