锥形束X射线CT的应用现状及其质量控制检测方法

肖虹，高林峰，姚杰，季贵毅

上海市疾病预防控制中心放射卫生科，上海 200336

锥形束X射线CT的应用现状及其质量控制检测方法

肖虹，高林峰，姚杰，季贵毅

上海市疾病预防控制中心放射卫生科，上海 200336

锥形束X射线CT（锥束CT）（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）作为一种新兴医学影像技术，已在牙科、乳腺、介入放射学、引导肿瘤治疗等方面得到广泛应用。锥束CT是现代计算机和电子技术迅猛发展的产物，在探测器结构、图像重建技术等方面都具有自身特点，因此锥束CT的质量控制也与普通X射线CT存在一定区别。本文就锥束CT的应用现状及其质量控制检测方法的研究进展进行综述。

1 锥束CT的基本特点

锥束CT是一种低剂量的X射线扫描系统，主要由一个或者多个可旋转的圆锥形X射线发生器和一个与此相应的图像接收器组成。X线发生器围绕投照体做环形数字投照，然后将投照数据重建后形成三维图像[1]。相较于普通X射线CT，锥束CT主要有以下特点。

（1）锥束CT数据获取方式与普通CT不同。普通X射线CT采用线性探测器，而锥束CT采用面状探测器，即将患者的整个检查区域置于一个探测器下，同时产生不同组织器官的图像。锥束CT获得的初始图像是二维投影，经过图像重建可使其转换成一个三维数据集。相比于普通X射线CT，利用锥束CT重建算法，可使二次重建的三维图像伪影明显减小[2]。对于大多数的锥束CT系统，利用普通的个人电脑即可在＜20 s的时间内完成数据的重建处理。在一个正交坐标上，允许在轴向位、矢状位、冠状位上重建三位图像。对于重建后的图像，可以通过窗宽、窗位来调节亮度和灰度。利用图像后处理软件可以根据代表不同组织如骨表面和牙齿的窗宽、窗位值，重建不同组织的三维图像。

（2）锥束CT空间分辨率较高，患者吸收剂量较低。锥束CT具有体素各向同性的特点，即在重建的锥束CT图像中冠状位数据和轴向位数据具有同样的分辨率[3]。在应用于牙科成像时，锥束CT的空间分辨率远超过了其他类型的CT。有研究表明，锥束CT 的空间分辨率范围为0.076～0.4 mm，而螺旋 CT 的空间分辨率为 0.5 mm[4]。就成像质量而言，锥束CT 和螺旋 CT均为可靠的检查手段，对于微小的骨性结构，锥束CT 可提供更优质的可视化细节，并且锥束CT图像可获得尺寸精确的线性和角度来测量颌面骨性结构和标志[5-6]。研究显示，锥束CT在较高空间分辨率的情况下，所致患者吸收剂量远＜普通X射线CT，可降低60%[7]。锥束CT扫描检查所致患者剂量与采用的照射视野大小有关，采用小的照射视野甚至低于普通X 线全景片[8]。当然，锥束CT的照射剂量要＞常规牙科X射线摄影。

（3）锥束CT在软组织成像等方面存在不足。在软组织成像细节方面，锥束CT不及普通螺旋CT，所以在临床上要严格注意适应症的选择[9]。有研究结果表明，与口内片和全景片检查相比，口腔颌面锥束CT 并不能提高龋病诊断的准确率，故不建议在临床中仅仅为了诊断龋病而使用口腔颌面锥束CT[10-14]。欧洲口腔颌面放射学会发布的锥束CT应用指南也不建议用口腔颌面锥束CT作为牙髓病、根尖周病、牙周病和牙创伤的常规X线检查方法[15]。

2 锥束CT的应用现状

锥束CT具有影像精确、扫描快速、投照范围可自行选择、操作简单、价格低廉等特点，已被应用于多种医疗实践中，主要包括以下几方面。

2.1 口腔颌面部成像

锥束CT能清晰地观察传统的影像学方法无法显示或较难显示的 一些复杂细小的解剖结构，如颏管、副颏管和副颏孔、上颌窦壁血管、颞下颌关节、骨小梁、下颌切牙管、舌孔和舌管、根管、牙周组织等。而且，锥束CT比传统的影像学方法能够提供更加准确的颌骨精细结构的测量数据，其测量的数据与真实值的误差仅为0.1 mm[6]。

（1）牙体、牙髓疾病诊断。研究表明，锥束CT在发现牙根骨折，尤其是对于一些常规X线检查难以辨识和发现的不完全牙根骨裂方面具有独特的优势。在用于确认根尖病变的大小、位置、与周围组织的关系时， 亦可以提供客观准确的信息。有研究比较分析了牙科DR （以电荷耦合装置（CCD）为探测器）、CR（以IP板为探测器）和锥束CT 3种不同设备检查根管的效果，发现锥束CT 根管数目的检出率高于其他两种方法[16]。此外，锥束CT可以提供牙体和牙髓的三维图像，而其他口腔摄影方法没有此功能。

（2）牙种植。锥束CT在评估颌骨质量、提高种植体植入准确性、 减少手术创伤和并发症、降低手术风险、提高种植成功率等方面起到关键作用[17]。例如，在牙种植术前需要对颌骨的质量和重要解剖结构进行评估，对术区颌骨的骨量、种植体植入的方向进行准确测量。利用软件将锥束CT的数据构建为可视化数字三维模型，并在模型上设计手术方案，定位种植体植入的最佳位置，指导制作种植模板，完成种植修复，可以提高牙齿种植的成功率[18]。 利用锥束CT 的配套软件，医生可以直观地向患者展示种植过程，种植后的效果。牙种植术后，医生可以比较直观地评价种植体周围骨结合情况， 评估种植体稳定性，为开展后期的义齿修复提供依据。

（3）正畸治疗。锥束CT可用于制定正畸治疗计划、评价正畸治疗的组织变化。多项研究[19-21]显示，在颅骨测量中，锥束CT较头颅侧位片测量更准确。正畸医生用锥束CT可以在三维方向上快速准确测量患者颌面部的软硬组织[22-23]。锥束CT在埋伏尖牙定位方面也比传统检查方法精确[24-25]。锥束CT可以帮助医生在水平和垂直方向准确地定位种植体的位置[26]。Hilgers等[27]的研究表明，锥束CT 能精确监测正畸治疗过程中颞下颌关节和下颌骨的变化。此外，锥束CT还可用于正畸治疗后牙根吸收、牙根接近等并发症的评估。

2.2 乳腺成像

O'Connell等[28]比较了锥束CT与传统乳腺X射线摄影在患者剂量、影像覆盖范围和图像质量等方面的区别。传统乳腺X射线摄影致乳腺平均腺体剂量为2.2～15 mGy （6.5±2.9）mGy，而锥束CT致乳腺平均腺体剂量为4.0～12.8 mGy（8.2±1.4）mGy，两种方法所致患者剂量相差不明显。影像覆盖范围方面，锥束CT在侧面、中间、后部等位置表现优于传统乳腺X射线摄影，而在腋下位置则不如后者。图像质量方面，对于包块和钙化灶的显示，锥束CT与传统乳腺X射线摄影的一致性达到83.7%。该研究表明，锥束CT可用于从胸壁到乳头整个乳腺的成像，有足够的空间分辨力和对比分辨力检测包块和钙化，且所致患者剂量与传统乳腺X射线摄影一致。当然，将锥束CT应用于乳腺成像，目前仍处于研究探索阶段，在临床上并未普及。

2.3 引导肿瘤放射治疗

锥束CT是引导放射治疗的重要工具，在放射治疗过程中可测量和修正摆位误差、计算肿瘤靶区范围、验证靶区剂量等[29]。 目前已出现将锥束CT和直线加速器整合到一起的产品。在放射治疗过程中，锥束CT可监测人体内高对比度结构及体表标志在每次治疗过程中位移情况。而且，可根据锥束CT图像进行三维摆位，并指导个体化的分割治疗。未来，锥束CT将被更广泛地应用于辅助肿瘤放射治疗，提高治疗效果。

2.4 介入放射学应用

C-臂锥束CT是将被应用于介入放射学的下一代成像技术。C-臂锥束CT具有多维的软组织成像、强大的靶区预处理和引导功能、实时多维的术后评估等特点，这使得复杂的心血管/非心血管介入放射学手术成为可能。而且，这些特点也为减少碘化造影剂、降低患者和医务人员的照射剂量奠定了基础，并且大幅提高治疗指数。C-臂锥束CT用于介入放射学的最大局限在于它的平板探测器，尤其在肝脏介入时，不能显示肝脏的全貌[30]。

3 锥束CT质量控制的检测参数及方法

质量控制是通过对X射线诊断设备的性能检测和维护，对X射线影像形成过程的监测和校正来保证影像质量的技术[31-32]。质量控制检测分为验收检测、状态检测及稳定性检测，我国现行的关于X射线计算机断层摄影装置质量保证的标准主要为医用常规X射线诊断设备影像质量控制检测规范（WS76-2011）和X射线计算机断层摄影装置质量保证检测规范（GB17589-2011）。锥束CT与普通X射线计算机断层摄影装置存在一定区别，因而适用于CT机的验收检测、使用中CT机的状态检测及稳定性检测的规范不完全适用于锥束CT的质量控制检测。当前，我国针对锥束CT的质量控制标准，仅有个别探索性研究报道。本文综合国内外文献资料，列出了锥束CT设备质量控制检测的主要关注点。

当前，对于锥束CT设备的质量控制主要包括：X射线管和发生器、剂量参数、影像质量和图像显示。欧盟建议的锥束CT质量控制参数及控制标准[15]，见表1。

3.1 X射线管和发生器

X射线管和发生器对于获得高质量的图像至关重要，因此首先应对它进行质量控制。针对锥束CT的X射线管和发生器的质量控制指标主要包括：射线输出的可重复性、射线输出的线性、过滤、管电压、照射野的大小、漏射线等。这些指标的测试，除照射野的大小、漏射线外，其他指标可参考医用X射线摄影设备的质量控制方法，但对于锥束CT需考虑在不同的模式（如定位模式、CT模式等）[33]下进行测试。测量照射野的大小时，可以将胶片或者一个CR盒放在设备的等中心位置处，使其暴露在不同的视野里，比较获得图像的实际照射野和设备定义视野的大小。漏射线的测量方法：固定球管，用1 mm铅遮挡管窗口，在最大管额定功率条件下，用辐射巡测仪检测。

3.2 剂量参数

（1）CT剂量指数（CTDI）。对于普通螺旋CT，剂量指数是重要的剂量学指标，是X射线CT设备的辐射剂量特性的实用表征量，主要包括CT剂量指数100（CTDI100）、加权CT剂量指数（CTDIW）和容积CT剂量指数（CTDIvol）3个指标[34]。直接将这些指标用于锥束CT是存在缺陷的，因为锥束CT的照射野更大，且剂量分布不对称。Kin等[35]比较了4种测量CTDI的方法：① 传统的CTDIW（1/3CTDI100（中心）＋2/3CTDI100（外周））；② Bakalyar法（1/2CTDI100（中心）＋1/2CTDI100（外周））；③ 中心切片的平均吸收剂量（CTDI2D）；④ 整个模体的平均吸收剂量（CTDI3D）。其中，方法④是最精确的CTDIW评估方法，因为它通过模体的三维剂量分布直接计算数量上的平均值。Xu等[36]采用美国医学物理学会（AAPM）TG-111号报告的方法测量锥束CT的剂量指数，该方法是将3个直径为16 cm的圆柱体模体沿着中心轴纵向排列，用0.6 cm3的电离室来测量中心和周围剂量。

（2）锥束CT专用剂量指数。有研究人员根据锥束CT的特点，开发制作了锥束CT专用的剂量指数测试模体[15]。应用该模体，可以通过电离室或热释光剂量元件（TLDs）的方式来测试锥束CT专用剂量指数，分别以指数1和指数2表示。其中指数1的测量方法是在模体横断面直径处的不同位置进行测量，计算各测量点的均数（图1a～1b）；指数2的测量方法是在模体中心位置和四周位置进行测量，计算各测量点的加权值（图1c）。由图1可见，指数1可以比较全面地反映剂量分布的特点，而指数2仅适合于对称性剂量分布的测量。

表1 欧盟建议的锥束CT质量控制参数及控制标准

（3）剂量与面积之乘积（DAP） 。DAP是X射线束的横截面积与所致平均剂量的乘积，在X射线诊断中用作所授予能量的一种量度，已被用于口内摄片和全景口腔摄影，也是普通X射线摄影及透视常用的剂量参数。可以参考医用X射线摄影或透视设备的方法来测量锥束CT的DAP。

3.3 影像质量

目前，国际上还没有就锥束CT影像质量的质量控制方法达成共识。使用为普通CT设计的模体（如Catphan500、600），可以得到一些影像质量指标，但也存在局限性，表现定位困难、对软组织的评价不够准确、对硬组织空间分辨力（亚毫米级）的评价能力不足、没有分析相关指标的配套软件等。基于上述原因，有的研究机构开发了专门用于锥束CT质量控制的模体[15,37]。锥束CT影像质量的指标包括：图像密度值、对比细节（探测阈值、图像品质因子、信噪比）、一致性和伪影、噪声、空间分辨力、几何精度等。从经济和效率的角度出发，可使用现有的成熟模体，配合一些辅助的工具开展锥束CT影像质量的控制检测。如Xu等[36]研究了以下指标的测试方法：高对比分辨力，使用现有Catphan模体的CTP404模块；低对比分辨力，使用具有4种组织材料（水、肝、脑、脂肪）插件的水模；空间分辨率，使用CatPhan模体的CTP528；MTF，通过线性扩展函数计算获得。当然，有的特殊指标必须通过锥束CT专用模体测试。

3.4 图像显示

不管X射线装置的质量如何，医师是通过显示器阅读图像，因此图像显示的优劣直接关系到能否对疾病做出正确诊断。对于锥束CT图像显示的质量控制包括以下两方面：

（1）一般条件。在操作系统上安装适当的测试模块（如美国医学物理学会的TG-18报告所提供)，并使其完全显示到显示器上。确认在测试模块上，能够单独分辨不同的灰度级水平；在同一灰度也能分辨较小的方块。当同时使用两个显示器时，应确保两个显示器对于每一灰度级的显示一致。

（2）显示器的分辨率。应该确保在测试模块上，每一个分辨模式上所有条纹都能清楚分辨。

4 结语

在我国，锥束CT已经得到比较广泛的应用，而且呈迅速增长趋势。与此同时，我国目前还没有锥束CT专用质量保证检测规范，对与患者防护相关的研究也处于前期萌芽状态。尽快制定锥束CT质量控制国家标准，推动放射防护最优化原则在锥束CT的实际应用，是目前放射卫生领域所面临的重要问题之一。

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Application of Cone Beam Computed Tomography and Its Quality Control Method

XIAO Hong, GAO Lin-feng, YAO Jie, JI Gui-yi

Department of Radiology, Shanghai Municipal Center For Disease Control & Prevention, Shanghai 200336, China

作为一种新兴医学影像技术，锥束CT已应用于多种医疗实践。然而，对于各种型号锥束CT设备的质量控制尚缺乏一种较为合适的工具来对其图像质量进行评估。本文结合实际工作经验，分析了锥束CT不同于其他医用X射线诊断设备的特点，介绍了锥束CT的应用现状，并结合国内外现有的文献资料，对其质量控制检测的参数及方法进行了阐述。

锥束CT；质量控制；检测参数；检测方法

Cone-beam CT has been used in many medical practices as a kind of emerging medical imaging technology. However, optimization and quality control of CBCT devices is hampered due to the lack of appropriate tools and methods for image quality assessment. This paper analyzes the different characteristics of cone-beam CT and other kinds of X-ray diagnostic devices, also introduces the application and quality control methods of cone-beam CT.

cone beam CT; quality control; testing parameters; testing methods

R814.48

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.022

1674-1633(2014)05-0066-05

2013-06-20

2013-08-02

卫生行业科研专项（201002009）；上海市公共卫生人才培养计划（GWDTR 201208）。

高林峰，上海市疾病预防控制中心放射卫生科科长，主任医师。

作者邮箱：hxiao@scdc．sh．cn