摘要：将锥束 CT 应用于口腔部位的三维成像，是近年来 CT 研究人员和口腔医生共同关注的一个热点。特别是随着牙齿种植技术的兴起，利用 CBCT 进行牙齿种植计划和手术导板的设计已成为一项新的研究方向。本文综述了口腔 CBCT 的成像原理和临床应用，比较了 CBCT 与传统 CT 在口腔成像中的特点，并总结了当前的关键技术和研究热点，供相关的技术及医学研究人员参考。
自 20 世纪 90 年代后期锥束 CT(Cone Beam CT，CBCT)首次应用于口腔三维成像以来，口腔 CBCT 技术逐渐成为口腔医生和 CT 技术研究人员共同关注的热点[1-6]。在口腔临床应用中，CBCT 解决了常规二维透视成像技术所固有的影像重叠、失真等问题，在牙齿种植计划、阻生牙分析、牙体牙周病诊断等需要三维分辨能力的应用中具有显著的优势。与传统 CT 相比，用 CBCT 进行口腔三维成像具有检查剂量低、空间分辨率高等优点。另一方面，在口腔成像中的成功应用也促进了 CBCT 技术的发展，包括平板探测器技术、局部重建技术、伪影校正技术、图像处理与分析技术等。特别是近年来随着牙齿种植技术的兴起，利用 CBCT 获得三维图像并进行种植计划和手术导板的设计已成为一项新的研究方向。因此，有必要对口腔 CBCT 的成像原理、关键技术、临床应用、与传统 CT 相比的特点等进行调研和综述，供相关的技术与医学研究人员参考。
1 成像原理
CBCT 的基本原理如图 1 所示：使用面阵探测器和锥形束 X 射线源，围绕检查对象旋转扫描，获得物体在各个角度的二维投影图像，然后利用锥束 CT 重建算法，得到物体内部的三维体数据[7]。在医学领域，CBCT 已经在头部成像、胸腔成像、腹腔成像中使用，但是受面阵探测器尺寸的限制，目前应用最多的仍然是成像范围相对较小的口腔领域。专门用于口腔三维成像的 CBCT 也称为口腔 CBCT(Oral CBCT)或牙科 CBCT(DentalCBCT)。根据成像范围的大小，口腔 CBCT 可细分为 4 [8]：覆盖几颗牙齿，用于局部诊断的D 级(Dental);覆盖全牙列，可用于种植计划的 I 级(Implant);覆盖整个口腔，可进行全口腔诊断的 P 级(Panoramic);覆盖整个额面部，能进行头颅、气道检查的 F 级(Facial)。每一级所对应的成像范围尺寸、应用和典型图像如表 1 所示，表中同时列出了目前常见的口腔 CBCT 产品。
2 关键技术
2.1 大锥角 CBCT 重建技术
不同于传统的 MSCT，CBCT 使用大面积面阵探测器，通过一次圆周/半圆周扫描实现物体的三维成像。由于大面阵探测器的使用，CBCT 的锥角范围一般可达 ± 10°左右，远大于MSCT 的锥角范围。即使是目前层数最多的 320 层 MSCT，其 X 射线束锥角也仅为± 5°左右。大锥角带来的锥束伪影(Cone-beam Artifacts)是 CBCT 成像的一个突出问题，会给医生诊断病情带来额外的干扰，而改善大锥角下的锥束重建图像质量的方法则是 CBCT 的核心技术之一。
根据 CT 重建理论，导致锥束伪影的主要原因是：单一圆周扫描轨道不满足精确重建所需的 Tuy-Smith 条件。随着断层平面离射线中心平面距离的增大，断层上缺失的 Radon 数据越来越多，重建的数值也越来越低。在不改变扫描轨道的情况下，无法从根本上消除这种重建数值偏离真实值的现象，只能采用改进 CT 图像重建算法、增加先验知识等手段尽可能地减小这种效应。
圆轨道 CT 重建一般采用 FDK 算法，在传统的 FDK 算法中，每条射线上投影数据的修正权重是相同的，仅由 X 射线源点到探测器的距离、探测器每个探测单元的几何坐标决定。这种方法能够精确重建出无限长均匀圆柱体上任意一点的数值，但当物体是其他形状且非均匀时就会出现重建数值的偏差。一个改进的思路是为每条射线的投影设置不同的修正权重，研究证明该方法能够有效改善大锥角下的图像重建质量[9]。
2.2 面阵探测器技术
面阵探测器是 CBCT 的核心部件之一，主要有两种类型：X 射线影像增强器(ImageIntensifier，I.I.)和平板探测器(Flat Panel Detector，FPD)。目前的大部分 CBCT 系统都选择了 FPD。FPD 具有更高的空间分辨率、更高的对比度以及更长的使用寿命，且不存在边缘失真现象;但缺点是价格较高。
根据能量的转换方式，平板探测器可以分为间接转换平板探测器和直接转换平板探测器。间接转换 FPD 都采用闪烁体作为转换材料，首先将 X 光转换成可见光，再通过捕捉、测量可见光光子获得最终的电信号。大面积闪烁体材料主要有碘化铯(CsI)和硫氧化钆(Gd2O2S)两种。医学成像中更多选择碘化铯作为闪烁体，因为其在低能 X 射线段有更好的转换效率。
根据闪烁体后端电路的不同，间接转换平板探测器又可以分为基于非晶硅(a-Si)技术的平板探测器和基于 CCD/CMOS 技术的平板探测器。非晶硅平板主要由三部分组成：CsI闪烁体、非晶硅制成的光电二极管矩阵以及薄膜晶体管(TFT)。不可见的 X 射线光子被 CsI涂层吸收转化为可见光光子，然后通过光电二极管转化为电荷并导入到薄膜晶体管中，最后通过读出电路输出。CCD/CMOS 平板的成像原理和非晶硅平板基本相同，只是由于直接采用了技术更成熟的低解析度 CMOS/CCD 技术，使得其单元有效探测面积的填充率(FillFactor)更高，系统稳定性更好。
直接转换平板探测器目前一般采用的非晶硒技术，主要分为两层：非晶硒半导体材料涂层以及 TFT 阵列。非晶硒涂层吸收入射的 X 光光子，将其直接转换为电荷;在外加电场的作用下，电荷(即电子-空穴对)积聚在像元电容上，最终被 TFT 读出。与间接转换平板相比，直接转换平板的成像精度更高，能够实现宽度仅 1μm 的点扩展函数。这是因为：间接转换平板首先将 X 射线转化为可见光，而可见光在闪烁体内传播时会发生散射和漫射，降低了图像分辨率;而直接转换平板直接产生电子-空穴对，避免了信号的扩散。但由于直接转换平板的价格更高，因此目前口腔临床使用的 CBCT 仍然较多地使用间接转换平板。
无论使用何种面阵探测器，都有一个共同的问题：由于像素单元很小，无法像传统CT那样针对每个像素安装后准直装置，导致散射严重，影响到系统的密度分辨率。事实上，由于密度分辨率的限制，目前的 CBCT 系统还无法满足软组织临床诊断的需求，而面阵探测器的散射校正方法也成为 CBCT 的核心技术之一。
2.3 三维图像处理和分析
CBCT 获得的三维图像可看成数百层二维图像的集合，传统 CT 所使用的胶片打印方法很难显示这么多的图像，催生了口腔三维图像处理和分析软件的研究。而牙齿种植等依赖于三维 CT 图像的新的临床应用的兴起，进一步促进了三维图像处理和分析技术的发展，使之成为口腔 CBCT 的关键技术之一。常见的口腔三维软件[10]所包括的功能见表 2。
3 CBCT 与传统 CT 的比较
传统的多层螺旋 CT 也可以进行三维成像：先得到物体二维切片图像的序列，然后将切片图像叠加得到三维体数据。然后，由于传统 CT 是针对全身扫描而设计的，在应用于口腔临床时存在空间分辨率不足以及辐射剂量大等问题[11-12]。按照医生所关心的各项指标将CBCT 与传统 CT 进行比较，结果见表 3。
4 临床应用
CBCT 在口腔临床中的最初应用来自于对牙齿种植前对牙槽骨状况的评估以及对神经34CT 理论与应用研究 18 卷管、鼻窦等重要部位的定位[13]。随着 CBCT 技术的进步及其与临床日益紧密的结合，CBCT在牙科[11，14-15]、颌面外科[16-17]以及颅面外科[18-20]等领域有了更为广泛的应用，详见表 4。
1)牙齿种植计划。牙齿种植计划是 CBCT在口腔临床中的最初应用，也是最重要的应用。为保证种植的成功率，在种植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，这个过程称为牙齿种植计划。传统的种植计划以二维的全景成像(Panoramic Imaging)为依据，其信息量少而且容易产生几何畸变;而CBCT 提供了精确的口腔三维影像，能够大大提高种植计划的质量。图2显示了InVivoDental种植计划软件的操作界面[21]。随着三维图像分析技术和 CAD/CAM 技术的发展，近年来又形成了一种基于三维 CT 图像的微创种植技术，成为口腔 CBCT 应用的新热点。医生根据 CBCT 提供的图像设计并制作手术导板，然后沿手术导板上指定的位置、路径和深度准确植入种植体，在提高种植成功率的同时降低了手术的创口[22-23]，如图 3 所示。
2)阻生牙分析。利用 CBCT 得到的三维图像，可以对阻生牙进行精确的定位和解剖结构分析，比传统的 X 线球管移动定位法快速、精确得多。根据分析结果制定微创手术计划，并避开神经等关键部位，能够有效地提高手术成功率并较少并发症的发生[24-26]，见图 4。
3)牙体牙周病诊断。利用 CBCT 图像可以在三维空间清晰地显示牙体、牙根、髓腔和牙周的形态。以牙根断裂的诊断为例，采用传统 X 光透视成像技术很难观测到竖直方向的裂纹，而利用 CBCT 成像技术获得牙根三维体数据后，能够对各个方向的牙根断裂情况进行观测和分析[27]。
4)颞下颌关节病诊断。研究表明，有 5%～10%接受正颌手术的患者存在髁突吸收症状，而 CBCT 在识别髁突异常方面比传统的 X 射线透视和螺旋 CT 具有更高的灵敏度和精度，更适于对下颞下颌关节进行评估[28]。
5 总结
CBCT 采用面阵探测器、锥形 X 射线束进行三维成像，其关键技术包括锥束重建技术、探测器技术、三维图像处理与分析技术等。与传统 CT 相比，CBCT 具有分辨率高、剂量低等优点，在牙齿种植计划、阻生牙分析、牙体牙周疾病诊断等口腔临床应用中取得了很好的效果。近年来出现的基于 CBCT 图像的微创种植计划系统，综合了图像处理、三维可视化和CAD/CAM 技术，进一步推动了 CBCT 的发展和应用。
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作者简介：胡海峰(1972-)，男，硕士，副研究员，研究方向为核技术应用及辐射成像技术.
