X射线成像技术在口腔临床中的应用

张庆

国家食品药品监督管理总局医疗器械技术审评中心，北京 100081

引言

1895 年X 射线的发现在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路，德国物理学家伦琴因此荣获第一个诺贝尔物理学奖。1896 年，德国牙医Walkhoff 身先士卒，接受了25 min 的X 射线照射，拍下了自己牙齿的照片[1]。1905 年世界上第一台商用牙科X 线机“REKORD”开始生产。1961 年首台商用模拟全景机应用于临床。1982 年推出了第一代DR 设备RVG，用于口内X 线摄影，辐射剂量只有传统胶片剂量的十分之一。1994 年，应用于口腔的CR 系统诞生。1996 年，基于CCD的数字化技术应用于曲面体层成像[2]。1998 年生产了第一台商用机型口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备，2001 年CBCT 机被正式生产并应用于口腔临床[3]。经过100 多年的发展，X 射线设备在口腔临床的应用日趋广泛，包括口内牙科X 线机、口腔曲面体层X 线机、口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备等，本文对这些设备的相关技术及其在口腔临床中的应用进行综述。

1 口内牙科X线机

1.1 功能简介

口内牙科X 线机，临床中一般简称为牙片机，是一种口腔科专用X 线机，用于对口内1～3 颗牙齿进行2D 成像。对摄影成像时间、曝光拍摄角度、曝光宽容度、摄影图像质量与储存空间等各方面对比结果显示，数字化X 线摄影效果均优于普通X 线牙片。数字化X 线摄影能够准确将牙齿口外患者的牙齿患病情况反映出来，比较快速地得到影像，使患者在检查数秒后就能得到结果，同时减少被照射剂量的吸收。

1.2 技术简介

口内牙科X 线机的主要部件包括口外X 射线发生器和口内影像接收器。口内影像接收器用于接收X 射线并转换为图像。

在X 射线发生器方面，早期多使用50 Hz 工频X 射线发生器，随着技术进步，目前基本都已改用高频X 射线发生器。高频X 射线发生器将工频50 Hz 电源经过整流、RLC 振荡得到高频（20 kHz 以上）直流电源，用于产生X 射线。相对于工频发生器，高频发生器具有更高的稳定性和精度，可以保证图形质量稳定。国内生产高频发生器的厂家有天津精工、郑州天杰等[4]，也产生了一些中国专利[5-6]。

在影像接收器方面，传统的影像接收器为胶片，后来出现IP 板，最新类型为数字化影像接收器，这是目前世界上主要的口内X 线机生产厂家的研发重点。数字化影像接收器也简称为探测器，可以省去冲洗胶片的时间与人力，消除化学洗片试剂对人体和环境的影响，并实现信息的数字化。相对于IP 板，数字化影像接收器可以直接生成图像，不再需要扫描仪，节约了成本并简化了操作环节。更重要的是，数字化影像接收器对X 射线更为灵敏，大大减少病人吸收的射线剂量[7]。

1.3 临床应用

口内牙科X 线机结构简单、价格低廉，其成像范围虽然小，但所获得的图像具有极高的分辨率。目前，X 线机广泛应用于牙体、牙髓和牙周病等口腔临床领域，用于进行局部牙齿病变部位、范围、程度的确定。另外，传统X线反映的牙槽骨的破坏程度往往比实际情况要小，加上拍摄角度、冲洗时间及曝光时间可复性很差，使得X 线片的对比度与间密度差异性很大，未能准确判断牙槽骨变化情况，而数字化放射影像技术则可将牙槽骨的细微变化显示出来，从而提高准确性与灵敏度。

2 口腔曲面体层X线机

2.1 功能简介

口腔曲面体层X 线机，临床中一般简称为全景机，它是指通过曲面体层摄影的扫描方式生成曲面体层影像、显示口腔正常组织和病变组织结构的X 射线摄影设备，也包括组合头影测量摄影（获得头颅正侧位和/或手腕部的二维影像）的设备[8]。其主要功能是拍摄口腔全景片和头颅定位片（包括正位片和侧位片）[9]。部分机型还提供拍摄颞颌关节片、上颌窦片和线性断层片的功能。它是体层摄影机的一种改进，体层摄影机只能照出组成一个平面的体层影像，而口腔颌面部组织具有一定的弧度，曲面体层机的设计是使X 线源与胶片或信号接收器运动同步，将被检体置于X 线机及胶片或信号接收器之间，X 线机与胶片或信号接收器按被检体的弧度做相反方向运动，X 线球管围绕患者转，从一侧颞下颌关节到另一侧颞下颌关节，摄取这个弧形组织一层弧形面体层影像，有称为全景摄影者，其实它所摄取的组织并非全景，而只是口腔颌面部弧形面的体层影像。

2.2 技术简介

通常口腔曲面体层X 射线机由高压发生器与X 射线源组件一体化的组合式机头（即X 射线管头）、影像接收装置、旋转架、升降立柱、患者支撑装置、控制装置、辅助定位装置、工作站等组成。

传统口腔曲面体层X 射线机使用的影像接收器为胶片，目前则以数字化影像接收器为主，即以CCD 或CMOS 影像接收器探测X 射线，经过相应的处理直接得到数字化的患者图像。数字化设备具有图像清晰、图像存储方便、工作效率高等优点[10]，完成扫描后约10 s 即可在影像工作站显示初始的影像。对颌骨和牙齿摄影得到的全景片还可以进行后处理，使全口牙齿、上下颌骨以及颞下颌关节的影像得到更清晰、突出的显示。数字化设备上经过后处理的影像质量明显优于使用胶片的传统设备的影像[11]。

2.3 临床应用

口腔曲面体层X 射线机可以一次性获得全口牙齿的2D 图像，使颌骨及全口牙体层摄影在一幅图片上呈现左右展开的平面图，同时将上颌骨、下颌骨、下颌关节、上颌关节和鼻腔等部位显示，从而达到全面了解全部牙列的咬颌关系、牙的远近中倾斜角度、乳牙恒牙的交替情况。另外，X 射线机也可对多发病变以及需要双侧对照的病变进行诊断及鉴别诊断，对茎突综合征、较大的牙槽突骨折及下颌骨多发骨折的定位、定向均有诊断价值，且具有观察全面、操作简便、儿童及老弱患者容易接受的特点。因此，此设备被广泛应用于牙周病、阻生牙、牙种植、异位埋伏阻生牙、多生牙、正畸（牙排列不齐）、上下颌骨骨质病变、颌面外伤、肿瘤、骨缺损等的诊断[12]。

大部分口腔曲面体层X 线机兼有拍摄头颅定位片的功能，可以借助专门的头影测量软件对图像进行测量分析，已成为口腔正畸及口腔外科等学科临床诊断、治疗设计及研究工作的重要工具。

3 口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备

3.1 功能简介

口腔颌面锥形束计算机体层摄影设备（Cone-Beam Computerized Tomography，CBCT），它是一种通过X 射线锥形束计算机体层摄影扫描，以重建的三维影像的轴位、冠状位、矢状位以及三维立体影像的方式显示口腔颌面部乃至整个头颅的正常组织和病变组织结构的X 射线影像设备，包括组合了口腔颌面锥形束体层摄影（标配）和/或口腔颌面曲面体层X 射线摄影（获得口腔颌面部的曲面体层影像）和/或头影测量摄影（获得头颅正侧位的二维影像）和/或手腕部X 射线摄影（获得手腕部的二维影像）的设备[12]。此设备可以提供由多平面2D 图像组成的全口牙齿的3D 影像，对影像进行包括冠状位、矢状位、横截面等在内的多切片观察，且能够直观地显示三维立体结构，为医生诊断口腔颌面部疾病提供了重要的临床依据。

3.2 技术简介

3.2.1 CT技术

CT，即计算机断层成像技术，是通过利用物体在不同角度的射线投影来获取物体横截面信息的成像技术。CT 设备同样具有X 射线发生器和数字化影像接收器两大关键部件。按X 射线束的几何形状可以将其分为扇形束和锥形束。

扇形束CT 的工作模式又分为圆轨道扇束和螺旋扇束：在圆轨道扇束中，通过窄的扇形X 线穿透人体来采集数据，对人体成像是一层一层进行的，每完成一层扫描后进行微小距离的轴向移动后进行下一层扫描，最终影像是通过堆叠多层2D 图像来获取的。在螺旋扇形束CT 中使用的探测器通常是多排线性探测器阵列，这种构造方法使得设备最多可以同时采集640 层影像，并在旋转扫描的过程中进行轴向移动，相比于单排系统大幅缩短了扫描时间，并且能在相当低的放射剂量下获得3D 影像。严格来说，使用多排线性探测器阵列的CT 设备已经属于锥形束范围，但业内一般将“CBCT”专用于指使用二维面阵探测器的设备。

3.2.2 CBCT技术

CBCT 的基础工作原理如图1 所示。使用锥形束X 射线发生器和面阵探测器，围绕检查对象，并按一定的角度间隔旋转360°扫描来获得物体在各个角度的二维投影图像。然后利用锥形束CT 重建算法，如FDK 算法，来获得各向同性的三维体数据。

图1 CBCT工作原理

3.2.3 CBCT与螺旋CT的比较

CBCT 与螺旋CT（螺旋扇形束CT）的最大区别在于螺旋CT 的投影数据是一维的，重建后的图像数据是二维的，重组的三维图像则是连续多层二维图像堆积而成，图像在空间上是各向异性的，层间距大于层内像素尺寸[13]。而CBCT 用二维面阵探测器来代替螺旋CT 的线状探测器，获得的投影数据是二维的，重建后直接得到三维图像，图像在三个坐标方向的间距相等，即图像具有很高的各向同性空间分辨力。与传统医用多层螺旋CT（MDCT）使用120 kV 和400 mA 不同，CBCT 使用的是低电压和低电流，围绕患者头部进行180°～360° 单次旋转扫描，因此总共的辐射量仅为20～500 µSv，远低于过去的MDCT的2100 µSv[14]。另外，过去层式CT 的扫描厚度大约为0.5 mm～1 cm，而CBCT 单层厚度能达到80～400 µm，这样就大大提高了图像的精确性，能捕捉更多的解剖细节。

CBCT 视野的大小一般由探测器的尺寸、形状、射线的几何形状和校准等因素决定。随着技术的成熟，新的CBCT 基本能根据每个病人的患病情况和术区，选择相应的视野，可以通过缩小FOV 来提高该区域内的分辨率，明确对细小解剖特点的诊断。另外，视野越小，辐射量越低。根据ALARP 原则（即最低合理可行原则），在不影响诊断的情况下，需要尽可能地降低辐射量。在牙体牙髓疾病中，受影响区域一般比较局限，小至中等的FOV 已经能提供足够的信息。便于医生将扫描更集中在关注区域，减少来自其他区域的影响。同时，缩短扫描时间，降低患者在扫描期间因移动所导致的图像变形，进一步提高图像质量。

关于分辨率方面，虽然CBCT 和CT 的图像组成单位都是体素，但是后者的体素是各向异性的，其高度由CT 扫描的层厚决定，所以重建后的图像由于扫描层厚的变化导致在某些特定平面（如矢状面），无法精准重现真实结构。相反，CBCT 中的体素都是各向同性的，即在长、宽、深度上完全一致，所以能得出高精度的几何图像。在8 个头颅骨上分别于扫描前后，进行13 种不同的测量，发现CBCT 能接近完全还原实物的解剖特点[15]。有文献提出不论头颅朝向哪，CBCT 在二维和三维上都拥有高度精确性，而且在图像上进行的线性测量也非常可靠，明确了CBCT 在容量上的精准分析，可以作为检测根尖周暗影大小和监控愈合的金标准[16]。

3.3 临床应用

CBCT 在口腔临床中的口腔种植、口腔颌面外科、牙体牙髓、牙周病学以及口腔正畸发挥着越来越重要的作用。最开始应用于对牙齿种植前牙槽骨状况的评估以及对鼻窦、神经管等重要部位的定位[17]，手术实施前首先要评估患者颌骨的骨质、骨量，并掌握下颌神经管、鼻窦等重要组织的位置，然后据此确定种植手术的可行性以及种植体的类型、尺寸、植入位置、植入路径、植入深度等参数。在一些种植软件如Simplant、Nobel clinician 和3shape 的帮助下，CBCT设备可以辅助种植手术的设计，制作种植导板，精确控制种植体的位置、方向、长度、直径等，确保手术及后期修复的成功，微创种植技术也成为最近的热门。另外在阻生牙分析、牙体牙周病诊断和颞下颌关节病诊断上，灵敏度、速度和精度也都得到了验证。近年来随着CBCT 硬件技术的进步与重建算法的不断优化，CBCT 图像质量不断提高，也因此与口腔临床日益紧密结合，如在颌面外科[18-19]、牙科[20-21]以及颅面外科[22-25]等领域有了更广发的应用。