X射線成像技術(shù)在口腔臨床中的應(yīng)用

張慶

國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心，北京 100081

引言

1895 年X 射線的發(fā)現(xiàn)在人類(lèi)歷史上具有極其重要的意義，它為自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)開(kāi)辟了一條嶄新的道路，德國(guó)物理學(xué)家倫琴因此榮獲第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1896 年，德國(guó)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(tái)商用牙科X 線機(jī)“REKORD”開(kāi)始生產(chǎn)。1961 年首臺(tái)商用模擬全景機(jī)應(yīng)用于臨床。1982 年推出了第一代DR 設(shè)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(yīng)用于口腔的CR 系統(tǒng)誕生。1996 年，基于CCD的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于曲面體層成像[2]。1998 年生產(chǎn)了第一臺(tái)商用機(jī)型口腔頜面錐形束計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備，2001 年CBCT 機(jī)被正式生產(chǎn)并應(yīng)用于口腔臨床[3]。經(jīng)過(guò)100 多年的發(fā)展，X 射線設(shè)備在口腔臨床的應(yīng)用日趨廣泛，包括口內(nèi)牙科X 線機(jī)、口腔曲面體層X(jué) 線機(jī)、口腔頜面錐形束計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備等，本文對(duì)這些設(shè)備的相關(guān)技術(shù)及其在口腔臨床中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 口內(nèi)牙科X線機(jī)

1.1 功能簡(jiǎn)介

口內(nèi)牙科X 線機(jī)，臨床中一般簡(jiǎn)稱(chēng)為牙片機(jī)，是一種口腔科專(zhuān)用X 線機(jī)，用于對(duì)口內(nèi)1～3 顆牙齒進(jìn)行2D 成像。對(duì)攝影成像時(shí)間、曝光拍攝角度、曝光寬容度、攝影圖像質(zhì)量與儲(chǔ)存空間等各方面對(duì)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(zhǔn)確將牙齒口外患者的牙齒患病情況反映出來(lái)，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(shí)減少被照射劑量的吸收。

1.2 技術(shù)簡(jiǎn)介

口內(nèi)牙科X 線機(jī)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。口內(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(shù)進(jìn)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(guò)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(duì)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(guó)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(guó)專(zhuān)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(lái)出現(xiàn)IP 板，最新類(lèi)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(jī)生產(chǎn)廠家的研發(fā)重點(diǎn)。數(shù)字化影像接收器也簡(jiǎn)稱(chēng)為探測(cè)器，可以省去沖洗膠片的時(shí)間與人力，消除化學(xué)洗片試劑對(duì)人體和環(huán)境的影響，并實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)字化。相對(duì)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(jiǎn)化了操作環(huán)節(jié)。更重要的是，數(shù)字化影像接收器對(duì)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(yīng)用

口內(nèi)牙科X 線機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)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(jī)廣泛應(yīng)用于牙體、牙髓和牙周病等口腔臨床領(lǐng)域，用于進(jìn)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(shí)際情況要小，加上拍攝角度、沖洗時(shí)間及曝光時(shí)間可復(fù)性很差，使得X 線片的對(duì)比度與間密度差異性很大，未能準(zhǔn)確判斷牙槽骨變化情況，而數(shù)字化放射影像技術(shù)則可將牙槽骨的細(xì)微變化顯示出來(lái)，從而提高準(zhǔn)確性與靈敏度。

2 口腔曲面體層X(jué)線機(jī)

2.1 功能簡(jiǎn)介

口腔曲面體層X(jué) 線機(jī)，臨床中一般簡(jiǎn)稱(chēng)為全景機(jī)，它是指通過(guò)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(gòu)的X 射線攝影設(shè)備，也包括組合頭影測(cè)量攝影（獲得頭顱正側(cè)位和/或手腕部的二維影像）的設(shè)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(jī)型還提供拍攝顳頜關(guān)節(jié)片、上頜竇片和線性斷層片的功能。它是體層攝影機(jī)的一種改進(jìn)，體層攝影機(jī)只能照出組成一個(gè)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(jī)的設(shè)計(jì)是使X 線源與膠片或信號(hào)接收器運(yùn)動(dòng)同步，將被檢體置于X 線機(jī)及膠片或信號(hào)接收器之間，X 線機(jī)與膠片或信號(hào)接收器按被檢體的弧度做相反方向運(yùn)動(dòng)，X 線球管?chē)@患者轉(zhuǎn)，從一側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)到另一側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)，攝取這個(gè)弧形組織一層弧形面體層影像，有稱(chēng)為全景攝影者，其實(shí)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(shù)簡(jiǎn)介

通常口腔曲面體層X(jué) 射線機(jī)由高壓發(fā)生器與X 射線源組件一體化的組合式機(jī)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(jué) 射線機(jī)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(cè)X 射線，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理直接得到數(shù)字化的患者圖像。數(shù)字化設(shè)備具有圖像清晰、圖像存儲(chǔ)方便、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)[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(duì)頜骨和牙齒攝影得到的全景片還可以進(jìn)行后處理，使全口牙齒、上下頜骨以及顳下頜關(guān)節(jié)的影像得到更清晰、突出的顯示。數(shù)字化設(shè)備上經(jīng)過(guò)后處理的影像質(zhì)量明顯優(yōu)于使用膠片的傳統(tǒng)設(shè)備的影像[11]。

2.3 臨床應(yīng)用

口腔曲面體層X(jué) 射線機(jī)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(kāi)的平面圖，同時(shí)將上頜骨、下頜骨、下頜關(guān)節(jié)、上頜關(guān)節(jié)和鼻腔等部位顯示，從而達(dá)到全面了解全部牙列的咬頜關(guān)系、牙的遠(yuǎn)近中傾斜角度、乳牙恒牙的交替情況。另外，X 射線機(jī)也可對(duì)多發(fā)病變以及需要雙側(cè)對(duì)照的病變進(jìn)行診斷及鑒別診斷，對(duì)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(jià)值，且具有觀察全面、操作簡(jiǎn)便、兒童及老弱患者容易接受的特點(diǎn)。因此，此設(shè)備被廣泛應(yīng)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(jué) 線機(jī)兼有拍攝頭顱定位片的功能，可以借助專(zhuān)門(mén)的頭影測(cè)量軟件對(duì)圖像進(jìn)行測(cè)量分析，已成為口腔正畸及口腔外科等學(xué)科臨床診斷、治療設(shè)計(jì)及研究工作的重要工具。

3 口腔頜面錐形束計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備

3.1 功能簡(jiǎn)介

口腔頜面錐形束計(jì)算機(jī)體層攝影設(shè)備（Cone-Beam Computerized Tomography，CBCT），它是一種通過(guò)X 射線錐形束計(jì)算機(jī)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(gè)頭顱的正常組織和病變組織結(jié)構(gòu)的X 射線影像設(shè)備，包括組合了口腔頜面錐形束體層攝影（標(biāo)配）和/或口腔頜面曲面體層X(jué) 射線攝影（獲得口腔頜面部的曲面體層影像）和/或頭影測(cè)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(shè)備[12]。此設(shè)備可以提供由多平面2D 圖像組成的全口牙齒的3D 影像，對(duì)影像進(jìn)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(gòu)，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(shù)簡(jiǎn)介

3.2.1 CT技術(shù)

CT，即計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，是通過(guò)利用物體在不同角度的射線投影來(lái)獲取物體橫截面信息的成像技術(shù)。CT 設(shè)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(guān)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(guò)窄的扇形X 線穿透人體來(lái)采集數(shù)據(jù)，對(duì)人體成像是一層一層進(jìn)行的，每完成一層掃描后進(jìn)行微小距離的軸向移動(dòng)后進(jìn)行下一層掃描，最終影像是通過(guò)堆疊多層2D 圖像來(lái)獲取的。在螺旋扇形束CT 中使用的探測(cè)器通常是多排線性探測(cè)器陣列，這種構(gòu)造方法使得設(shè)備最多可以同時(shí)采集640 層影像，并在旋轉(zhuǎn)掃描的過(guò)程中進(jìn)行軸向移動(dòng)，相比于單排系統(tǒng)大幅縮短了掃描時(shí)間，并且能在相當(dāng)?shù)偷姆派鋭┝肯芦@得3D 影像。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，使用多排線性探測(cè)器陣列的CT 設(shè)備已經(jīng)屬于錐形束范圍，但業(yè)內(nèi)一般將“CBCT”專(zhuān)用于指使用二維面陣探測(cè)器的設(shè)備。

3.2.2 CBCT技術(shù)

CBCT 的基礎(chǔ)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(cè)器，圍繞檢查對(duì)象，并按一定的角度間隔旋轉(zhuǎn)360°掃描來(lái)獲得物體在各個(gè)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(lái)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(cè)器來(lái)代替螺旋CT 的線狀探測(cè)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(gè)坐標(biāo)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(jìn)行180°～360° 單次旋轉(zhuǎn)掃描，因此總共的輻射量?jī)H為20～500 μSv，遠(yuǎn)低于過(guò)去的MDCT的2100 μSv[14]。另外，過(guò)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(dá)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(xì)節(jié)。

CBCT 視野的大小一般由探測(cè)器的尺寸、形狀、射線的幾何形狀和校準(zhǔn)等因素決定。隨著技術(shù)的成熟，新的CBCT 基本能根據(jù)每個(gè)病人的患病情況和術(shù)區(qū)，選擇相應(yīng)的視野，可以通過(guò)縮小FOV 來(lái)提高該區(qū)域內(nèi)的分辨率，明確對(duì)細(xì)小解剖特點(diǎn)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(guān)注區(qū)域，減少來(lái)自其他區(qū)域的影響。同時(shí)，縮短掃描時(shí)間，降低患者在掃描期間因移動(dòng)所導(dǎo)致的圖像變形，進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。

關(guān)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(dǎo)致在某些特定平面（如矢狀面），無(wú)法精準(zhǔn)重現(xiàn)真實(shí)結(jié)構(gòu)。相反，CBCT 中的體素都是各向同性的，即在長(zhǎng)、寬、深度上完全一致，所以能得出高精度的幾何圖像。在8 個(gè)頭顱骨上分別于掃描前后，進(jìn)行13 種不同的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)CBCT 能接近完全還原實(shí)物的解剖特點(diǎn)[15]。有文獻(xiàn)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(jìn)行的線性測(cè)量也非常可靠，明確了CBCT 在容量上的精準(zhǔn)分析，可以作為檢測(cè)根尖周暗影大小和監(jiān)控愈合的金標(biāo)準(zhǔn)[16]。

3.3 臨床應(yīng)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(xué)以及口腔正畸發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。最開(kāi)始應(yīng)用于對(duì)牙齒種植前牙槽骨狀況的評(píng)估以及對(duì)鼻竇、神經(jīng)管等重要部位的定位[17]，手術(shù)實(shí)施前首先要評(píng)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(shù)的可行性以及種植體的類(lèi)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(shè)備可以輔助種植手術(shù)的設(shè)計(jì)，制作種植導(dǎo)板，精確控制種植體的位置、方向、長(zhǎng)度、直徑等，確保手術(shù)及后期修復(fù)的成功，微創(chuàng)種植技術(shù)也成為最近的熱門(mén)。另外在阻生牙分析、牙體牙周病診斷和顳下頜關(guān)節(jié)病診斷上，靈敏度、速度和精度也都得到了驗(yàn)證。近年來(lái)隨著CBCT 硬件技術(shù)的進(jìn)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(lǐng)域有了更廣發(fā)的應(yīng)用。