口腔锥形束CT的辐射剂量与防护

2019-06-27张庆

中国医疗设备 2019年6期

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

1972年4月，英国电子工程师Hounsfield根据奥地利数学家Radon提出的图像重建理论，发明了计算机断层扫描设备（Computer Tomography，简称CT），为医生的临床诊断和治疗提供了极大的帮助[1]。1998年，意大利工程师研制成功并生产了第一台口腔用锥形束计算机断层扫描设备（Cone Beam Computer Tomography，简称CBCT）。相对于全身CT，口腔CBCT具有扫描时间快，成像时间短，图像分辨率高，辐射剂量率低等特点，可用于多种口腔疾病的检查和治疗方案设计，具有巨大的临床应用价值[2]。尽管CT扫描是必不可少的诊断工具，但X射线的电离辐射性质也引发了公众的担忧和争论[3]。无论生产厂商、设备使用者都积极探索降低其辐射水平的方法，并已经逐步运用在设备制造和设备使用中[4]。本文全面介绍了X射线辐射原理，CBCT辐射水平的影响因素，降低剂量的技术手段等，为医生提供参考。

1 辐射与效应

1.1 X射线辐射原理与剂量表征

辐射是指以电磁波或高速粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量的统称。X射线属于辐射的一种，它是高速电子轰击靶材料（一般为金属钨），使靶材料原子中的电子发生跃迁，进而发射的一种电磁波[5]。当高能X射线照射生物体时，可与机体细胞、组织、体液中的物质发生能量传递或交换，引起物质的原子或分子电离，从而直接杀伤细胞，或诱发细胞发生基因突变，从而可能导致癌症发生[6]。

辐射导致癌症的风险取决于辐射本身的性质和暴露在辐射下的身体部位、体型、年龄和性别等因素。人体各组织或器官对辐射的敏感性可以用组织权重因数WT表示，对射线越敏感的组织WT越大（表1[7]）。例如，同等条件下，照射甲状腺比照射皮肤的有效剂量大4倍。

表1 建议的组织权重因数

受照物质发生的辐射效应与该物质的受照质量及吸收的辐射能量相关。通常用吸收剂量D来表示单位质量的受照物质吸收电离辐射能量的大小,用有效剂量E对人体在不同照射条件和受照部位受到的辐射影响进行定量的比较。有效剂量的定义是，不同类型的辐射照射人体，单位质量的器官或组织吸收的辐射能量乘以相应的组织权重因数后的和，见式(1)。

式(1)中，WT是人体组织或器官T的组织权重因数；WR是辐射R的辐射权重因数；DT，R是辐射R在人体组织或器官T内的吸收剂量。吸收剂量的计量单位是戈瑞，用符号Gy表示；有效剂量的计量单位是希沃特，用符号Sv表示。

全身所有组织的权重因数之和为1，当人体受到X射线全身急性照射时，可以认为有效剂量在数值上约等于吸收剂量[6]。

自然环境中广泛存在天然辐射，世界平均每人每年约有2.4 mSv有效剂量来自天然辐射，接近辐照总量的2/3，他们产生自宇宙射线、天然放射性核素和人类活动引起的天然辐射的增加。放射诊断造成的有效剂量仅占人均有效剂量的1/6，远低于天然辐射[6]。

1.2 辐射效应

辐射对人体的影响可分为随机性效应和确定性效应。确定性效应主要针对大剂量的急性照射，只有在剂量达到一定阈值以上才会发生，而其严重程度取决于剂量的大小。受X射线全身急性照射可能产生的效应如表2[7]所示。

表2 受X射线全身急性照射效应表

联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）1993年报告中，将剂量率低于0.1 mGy/min的或剂量小于0.2 Gy的急性照射看作是低剂量照射[8]。这个剂量范围内的辐射效应属于随机性效应，辐射效应发生的概率与所吸收的辐射剂量成正比。

2 口腔CBCT剂量分析

2.1 口腔CBCT辐射剂量

口腔CBCT将锥形X射线束围绕受照者欲成像的体层旋转，获取足够多方向的投影，将投影数据存储在计算机中，通过重建算法处理为数字矩阵，矩阵中每个数字的大小代表图像中对应像素的灰度值[1]。根据设备类型、受检者身体状况、系统及其操作技术的不同，口腔CT的有效剂量可能相差10倍以上。图1[9]列出了具有代表性的诊断手段和相关剂量，表3[10]列出了CBCT不同视野的有效剂量。其中，一次小视野口腔CBCT诊断约增加35 μSv有效剂量；中视野约增加80 μSv有效剂量；大视野约增加130 μSv有效剂量[10]。CBCT作为一种必不可少的诊断手段，它的剂量和很多因素有关，如何合理、可行、尽量低地优化剂量，需要结合原理和临床使用进行具体分析。

图1 不同放射性诊断的有效剂量

表3 口腔CBCT有效剂量表

CBCT设备的固有设计、医生对扫描参数的设置、受检者体型等因素共同决定了探测器接收的X射线多少，从而影响成像质量[10]。而对探测器接收的信号进行重建的过程进一步影响成像质量。上述过程伴随着剂量的变化。1976年Brooks提出要在剂量和噪声之间寻找一个平衡点，也就是说，在剂量尽可能低的前提下，保证最终获得的影像质量能够满足临床诊断的需求。我国国家标准《GB16348-2010 医用X射线诊断受检者放射卫生防护标准》和《GBZ 179-2006 医疗照射放射防护基本要求》要求医生根据受检者实际情况合理选择各种操作参数，应确保在满足医疗诊断达到预期诊断目标的条件下，受检者和陪检者所受到的照射剂量最低[11-12]。也就是说，在诊断过程中需要遵循国际通用的“ALARA”（As Low As Reasonably Achievable）原则[6]。此外，还应确保医生和公众在此过程中所受到的辐射剂量不超过规定的剂量限值，并且遵循“ALARA”原则。

根据ICRP给出的标称概率系数表（表4），当一个成年人受到100 μSv的当量剂量的全身照射后，对他来说引起癌症和遗传效应的总概率是4.2×10-4%，其中患癌的风险是4.1×10-4%。[7]作为对比，普通公众在0～85岁之间自然患癌的风险平均高达36%。换句话说，对于任何一个人来说，医疗辐射诱发癌症的风险与自然患癌症的风险相比可以忽略不计。所以，受检者接受CBCT扫描所吸收的X射线，诱发癌症或遗传突变导致子代遗传相关疾病的可能性微乎其微。此外，对于儿童或胎儿的放射诊断需要额外慎重。一些研究表明，对于任何剂量的辐射，儿童患癌症的可能性是成年人的三到四倍，因为儿童的细胞对辐射更敏感[5]。

表4 随机性效应的标称概率系数（%/Sv）

2.2 受检者辐射剂量影响因素与降低方法

受检者接受的辐射剂量水平的主要影响因素有以下几个。

2.2.1 受检者受照范围和部位

准直器尺寸（视野）对剂量的影响是直观的：当选择的视野大，意味着采用了大尺寸准直器进行照射。此时从准直器穿过的光子数更多，照射范围更大，受检者的有效剂量更高（表3）[13]。另外，需要考虑不同组织或器官对射线的敏感性不同，应尽量避免敏感性高的部位受到照射。所以，当需要诊断的部位较小，就应该选择与患处对应大小的视野或使用防护用品，尽量避免对诊断没有贡献的射线增加人体吸收的剂量。《GBZ 130-2013 医用X射线诊断放射防护要求》中对于接触X射线设备的工作人员、受检者和陪检者的防护用品与辅助防护设施（铅橡胶颈套、帽子等）做了详细要求：一般防护用品和辅助防护设施的铅当量应不低于0.25 mmPb，针对儿童的铅当量应不低于0.5 mmPb[14]。

2.2.2 X射线管电压

管电压增加时，X射线的能量相应变高，X射线穿透能力增强（图2[15]），剂量相应增加；反之，管电压降低能够减少受检者的吸收剂量，降低X射线穿透能力，使得采集到的图像噪声增加并产生伪影（图3[1]）。在临床应用中，权衡受检者所受剂量和管电压之间的关系是非常必要的。

2.2.3 管电流和曝光时间

因为电流影响的是初始电子的数目，进而影响X射束强度的大小，所以一般情况下，管电流和CBCT剂量大致呈线性关系[16]。曝光时间和CBCT剂量也呈线性关系。对于部分设备来说，曝光时间是设备固有设置。在实际临床应用中，常用管电流与曝光时间的乘积（简称电流时间积，单位mAs）代表X线束的出束量。对于脉冲X射线束，曝光时间小于设置的扫描时间。通过提高探测器探测效率、减少电子噪声和提高信噪比等，使探测器的效率得以提高，从而在低剂量条件下获得更好的图像质量。图像重建算法具有巨大的应用潜力，它提供了在现有硬件和常规操作下有效降低剂量的可能性[20-21]。

图2 X射线能谱随管电压的变化

图3 体模直径与噪声的关系

2.2.4 X射线能谱

还可以通过对X射线能谱的优化来减少受检者的辐射剂量。因为低能X射线对图像成像没有有益的贡献，却会增加辐射剂量，所以，提高高能射线的比重，可以在降低受检者剂量的同时，有效削弱射线硬化伪影，提高图像质量[17-18]。一般通过配备滤过器的手段来硬化X射线能谱。滤过器位于光机出束口外，材料一般为铝或铜。滤过器的厚度与吸收低能X射线的量相关，厚度越大，则吸收的低能X射线越多。与此同时，如果铝片过厚就会使得到达探测器的X射线过少，从而导致图像对比度降低，噪声增加。为了弥补这种损失，需要在一定程度上增加电流[19]。

以上影响因素中，探测器、图像重建算法、X射线能谱、扫描时间属于口腔CBCT设备的固有设计，他们的优化需要由设备的设计者来完成。在实际应用中，医生通过判断受检者的年龄、体型、扫描部位调整扫描参数（视野、电压、电流等）和使用防护用品，降低受检者有效剂量。例如，对于身形健壮的受检者，选择较低的管电压、管电流会造成图像质量差，对临床诊断造成困难。对于体型瘦小的受检者（如儿童，青少年等），通过降低管电压管电流，能够在保证临床需要的前提下有效降低剂量。

2.3 医生和公众辐射剂量影响因素与降低方法

除了降低受检者剂量以外，还必须确保医生和公众所受到的剂量低于既定的年剂量限值。根据《GB18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准》[22]规定，辐射工作人员的年剂量限值（5年平均）为20 mSv/a，公众为1 mSv/a（表5[22]）。

表5 有效剂量和当量剂量限值（mSv/a）

在对医生和公众进行防护设计之前，首先需要明确散射X射线的强度和能量。然后采用以下三种措施降低散射X射线的剂量水平：① 尽量减少人员在辐射源附近停留的时间；② 尽量扩大人员与辐射源的距离；③ 在辐射源和人员之间设置屏蔽结构[23]。其中，医生在辐射源附近停留的时间与该设备接诊的患者数量呈正相关。距离与剂量的关系遵循“平方反比定律”[23-24]：剂量D正比于距离X的平方的倒数，见公式(4)，即，从辐射源发出的剂量随着距离的增加而大幅减少，反之，距离的缩短将导致剂量迅速增加。

虽然增加距离是一种理论上可行的防护措施，但是对于口腔医院和诊所的实际应用价值是有限的。因为空间增加造成成本的大幅上升。对于口腔CBCT设备，主要通过设置屏蔽体削弱散射X射线来达到医生和公众受到的辐射剂量限值的要求。在设计辐射屏蔽设施时，应根据剂量限值来确定屏蔽间(包括墙壁、门、窗、地板和天花板)的屏蔽能力。在屏蔽计算中应充分考虑辐射剂量的影响因素，例如，患者人次、设备的辐射输出、设备的摆放和运转以及屏蔽间的可用面积等，以确保在设施运行时不会超过剂量限值[25]。