張慶

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

引言

1972年4月，英國電子工程師Hounsfield根據(jù)奧地利數(shù)學家Radon提出的圖像重建理論，發(fā)明了計算機斷層掃描設(shè)備（Computer Tomography，簡稱CT），為醫(yī)生的臨床診斷和治療提供了極大的幫助[1]。1998年，意大利工程師研制成功并生產(chǎn)了第一臺口腔用錐形束計算機斷層掃描設(shè)備（Cone Beam Computer Tomography，簡稱CBCT）。相對于全身CT，口腔CBCT具有掃描時間快，成像時間短，圖像分辨率高，輻射劑量率低等特點，可用于多種口腔疾病的檢查和治療方案設(shè)計，具有巨大的臨床應用價值[2]。盡管CT掃描是必不可少的診斷工具，但X射線的電離輻射性質(zhì)也引發(fā)了公眾的擔憂和爭論[3]。無論生產(chǎn)廠商、設(shè)備使用者都積極探索降低其輻射水平的方法，并已經(jīng)逐步運用在設(shè)備制造和設(shè)備使用中[4]。本文全面介紹了X射線輻射原理，CBCT輻射水平的影響因素，降低劑量的技術(shù)手段等，為醫(yī)生提供參考。

1 輻射與效應

1.1 X射線輻射原理與劑量表征

輻射是指以電磁波或高速粒子的形式向周圍空間或物質(zhì)發(fā)射并在其中傳播的能量的統(tǒng)稱。X射線屬于輻射的一種，它是高速電子轟擊靶材料（一般為金屬鎢），使靶材料原子中的電子發(fā)生躍遷，進而發(fā)射的一種電磁波[5]。當高能X射線照射生物體時，可與機體細胞、組織、體液中的物質(zhì)發(fā)生能量傳遞或交換，引起物質(zhì)的原子或分子電離，從而直接殺傷細胞，或誘發(fā)細胞發(fā)生基因突變，從而可能導致癌癥發(fā)生[6]。

輻射導致癌癥的風險取決于輻射本身的性質(zhì)和暴露在輻射下的身體部位、體型、年齡和性別等因素。人體各組織或器官對輻射的敏感性可以用組織權(quán)重因數(shù)WT表示，對射線越敏感的組織WT越大（表1[7]）。例如，同等條件下，照射甲狀腺比照射皮膚的有效劑量大4倍。

表1 建議的組織權(quán)重因數(shù)

受照物質(zhì)發(fā)生的輻射效應與該物質(zhì)的受照質(zhì)量及吸收的輻射能量相關(guān)。通常用吸收劑量D來表示單位質(zhì)量的受照物質(zhì)吸收電離輻射能量的大小,用有效劑量E對人體在不同照射條件和受照部位受到的輻射影響進行定量的比較。有效劑量的定義是，不同類型的輻射照射人體，單位質(zhì)量的器官或組織吸收的輻射能量乘以相應的組織權(quán)重因數(shù)后的和，見式(1)。

式(1)中，WT是人體組織或器官T的組織權(quán)重因數(shù)；WR是輻射R的輻射權(quán)重因數(shù)；DT，R是輻射R在人體組織或器官T內(nèi)的吸收劑量。吸收劑量的計量單位是戈瑞，用符號Gy表示；有效劑量的計量單位是希沃特，用符號Sv表示。

全身所有組織的權(quán)重因數(shù)之和為1，當人體受到X射線全身急性照射時，可以認為有效劑量在數(shù)值上約等于吸收劑量[6]。

自然環(huán)境中廣泛存在天然輻射，世界平均每人每年約有2.4 mSv有效劑量來自天然輻射，接近輻照總量的2/3，他們產(chǎn)生自宇宙射線、天然放射性核素和人類活動引起的天然輻射的增加。放射診斷造成的有效劑量僅占人均有效劑量的1/6，遠低于天然輻射[6]。

1.2 輻射效應

輻射對人體的影響可分為隨機性效應和確定性效應。確定性效應主要針對大劑量的急性照射，只有在劑量達到一定閾值以上才會發(fā)生，而其嚴重程度取決于劑量的大小。受X射線全身急性照射可能產(chǎn)生的效應如表2[7]所示。

表2 受X射線全身急性照射效應表

聯(lián)合國原子輻射效應科學委員會（UNSCEAR）1993年報告中，將劑量率低于0.1 mGy/min的或劑量小于0.2 Gy的急性照射看作是低劑量照射[8]。這個劑量范圍內(nèi)的輻射效應屬于隨機性效應，輻射效應發(fā)生的概率與所吸收的輻射劑量成正比。

2 口腔CBCT劑量分析

2.1 口腔CBCT輻射劑量

口腔CBCT將錐形X射線束圍繞受照者欲成像的體層旋轉(zhuǎn)，獲取足夠多方向的投影，將投影數(shù)據(jù)存儲在計算機中，通過重建算法處理為數(shù)字矩陣，矩陣中每個數(shù)字的大小代表圖像中對應像素的灰度值[1]。根據(jù)設(shè)備類型、受檢者身體狀況、系統(tǒng)及其操作技術(shù)的不同，口腔CT的有效劑量可能相差10倍以上。圖1[9]列出了具有代表性的診斷手段和相關(guān)劑量，表3[10]列出了CBCT不同視野的有效劑量。其中，一次小視野口腔CBCT診斷約增加35 μSv有效劑量；中視野約增加80 μSv有效劑量；大視野約增加130 μSv有效劑量[10]。CBCT作為一種必不可少的診斷手段，它的劑量和很多因素有關(guān)，如何合理、可行、盡量低地優(yōu)化劑量，需要結(jié)合原理和臨床使用進行具體分析。

圖1 不同放射性診斷的有效劑量

表3 口腔CBCT有效劑量表

CBCT設(shè)備的固有設(shè)計、醫(yī)生對掃描參數(shù)的設(shè)置、受檢者體型等因素共同決定了探測器接收的X射線多少，從而影響成像質(zhì)量[10]。而對探測器接收的信號進行重建的過程進一步影響成像質(zhì)量。上述過程伴隨著劑量的變化。1976年Brooks提出要在劑量和噪聲之間尋找一個平衡點，也就是說，在劑量盡可能低的前提下，保證最終獲得的影像質(zhì)量能夠滿足臨床診斷的需求。我國國家標準《GB16348-2010 醫(yī)用X射線診斷受檢者放射衛(wèi)生防護標準》和《GBZ 179-2006 醫(yī)療照射放射防護基本要求》要求醫(yī)生根據(jù)受檢者實際情況合理選擇各種操作參數(shù)，應確保在滿足醫(yī)療診斷達到預期診斷目標的條件下，受檢者和陪檢者所受到的照射劑量最低[11-12]。也就是說，在診斷過程中需要遵循國際通用的“ALARA”（As Low As Reasonably Achievable）原則[6]。此外，還應確保醫(yī)生和公眾在此過程中所受到的輻射劑量不超過規(guī)定的劑量限值，并且遵循“ALARA”原則。

根據(jù)ICRP給出的標稱概率系數(shù)表（表4），當一個成年人受到100 μSv的當量劑量的全身照射后，對他來說引起癌癥和遺傳效應的總概率是4.2×10-4%，其中患癌的風險是4.1×10-4%。[7]作為對比，普通公眾在0～85歲之間自然患癌的風險平均高達36%。換句話說，對于任何一個人來說，醫(yī)療輻射誘發(fā)癌癥的風險與自然患癌癥的風險相比可以忽略不計。所以，受檢者接受CBCT掃描所吸收的X射線，誘發(fā)癌癥或遺傳突變導致子代遺傳相關(guān)疾病的可能性微乎其微。此外，對于兒童或胎兒的放射診斷需要額外慎重。一些研究表明，對于任何劑量的輻射，兒童患癌癥的可能性是成年人的三到四倍，因為兒童的細胞對輻射更敏感[5]。

表4 隨機性效應的標稱概率系數(shù)（%/Sv）

2.2 受檢者輻射劑量影響因素與降低方法

受檢者接受的輻射劑量水平的主要影響因素有以下幾個。

2.2.1 受檢者受照范圍和部位

準直器尺寸（視野）對劑量的影響是直觀的：當選擇的視野大，意味著采用了大尺寸準直器進行照射。此時從準直器穿過的光子數(shù)更多，照射范圍更大，受檢者的有效劑量更高（表3）[13]。另外，需要考慮不同組織或器官對射線的敏感性不同，應盡量避免敏感性高的部位受到照射。所以，當需要診斷的部位較小，就應該選擇與患處對應大小的視野或使用防護用品，盡量避免對診斷沒有貢獻的射線增加人體吸收的劑量?！禛BZ 130-2013 醫(yī)用X射線診斷放射防護要求》中對于接觸X射線設(shè)備的工作人員、受檢者和陪檢者的防護用品與輔助防護設(shè)施（鉛橡膠頸套、帽子等）做了詳細要求：一般防護用品和輔助防護設(shè)施的鉛當量應不低于0.25 mmPb，針對兒童的鉛當量應不低于0.5 mmPb[14]。

2.2.2 X射線管電壓

管電壓增加時，X射線的能量相應變高，X射線穿透能力增強（圖2[15]），劑量相應增加；反之，管電壓降低能夠減少受檢者的吸收劑量，降低X射線穿透能力，使得采集到的圖像噪聲增加并產(chǎn)生偽影（圖3[1]）。在臨床應用中，權(quán)衡受檢者所受劑量和管電壓之間的關(guān)系是非常必要的。

2.2.3 管電流和曝光時間

因為電流影響的是初始電子的數(shù)目，進而影響X射束強度的大小，所以一般情況下，管電流和CBCT劑量大致呈線性關(guān)系[16]。曝光時間和CBCT劑量也呈線性關(guān)系。對于部分設(shè)備來說，曝光時間是設(shè)備固有設(shè)置。在實際臨床應用中，常用管電流與曝光時間的乘積（簡稱電流時間積，單位mAs）代表X線束的出束量。對于脈沖X射線束，曝光時間小于設(shè)置的掃描時間。通過提高探測器探測效率、減少電子噪聲和提高信噪比等，使探測器的效率得以提高，從而在低劑量條件下獲得更好的圖像質(zhì)量。圖像重建算法具有巨大的應用潛力，它提供了在現(xiàn)有硬件和常規(guī)操作下有效降低劑量的可能性[20-21]。

圖2 X射線能譜隨管電壓的變化

圖3 體模直徑與噪聲的關(guān)系

2.2.4 X射線能譜

還可以通過對X射線能譜的優(yōu)化來減少受檢者的輻射劑量。因為低能X射線對圖像成像沒有有益的貢獻，卻會增加輻射劑量，所以，提高高能射線的比重，可以在降低受檢者劑量的同時，有效削弱射線硬化偽影，提高圖像質(zhì)量[17-18]。一般通過配備濾過器的手段來硬化X射線能譜。濾過器位于光機出束口外，材料一般為鋁或銅。濾過器的厚度與吸收低能X射線的量相關(guān)，厚度越大，則吸收的低能X射線越多。與此同時，如果鋁片過厚就會使得到達探測器的X射線過少，從而導致圖像對比度降低，噪聲增加。為了彌補這種損失，需要在一定程度上增加電流[19]。

以上影響因素中，探測器、圖像重建算法、X射線能譜、掃描時間屬于口腔CBCT設(shè)備的固有設(shè)計，他們的優(yōu)化需要由設(shè)備的設(shè)計者來完成。在實際應用中，醫(yī)生通過判斷受檢者的年齡、體型、掃描部位調(diào)整掃描參數(shù)（視野、電壓、電流等）和使用防護用品，降低受檢者有效劑量。例如，對于身形健壯的受檢者，選擇較低的管電壓、管電流會造成圖像質(zhì)量差，對臨床診斷造成困難。對于體型瘦小的受檢者（如兒童，青少年等），通過降低管電壓管電流，能夠在保證臨床需要的前提下有效降低劑量。

2.3 醫(yī)生和公眾輻射劑量影響因素與降低方法

除了降低受檢者劑量以外，還必須確保醫(yī)生和公眾所受到的劑量低于既定的年劑量限值。根據(jù)《GB18871-2002電離輻射防護與輻射源安全基本標準》[22]規(guī)定，輻射工作人員的年劑量限值（5年平均）為20 mSv/a，公眾為1 mSv/a（表5[22]）。

表5 有效劑量和當量劑量限值（mSv/a）

在對醫(yī)生和公眾進行防護設(shè)計之前，首先需要明確散射X射線的強度和能量。然后采用以下三種措施降低散射X射線的劑量水平：① 盡量減少人員在輻射源附近停留的時間；② 盡量擴大人員與輻射源的距離；③ 在輻射源和人員之間設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)[23]。其中，醫(yī)生在輻射源附近停留的時間與該設(shè)備接診的患者數(shù)量呈正相關(guān)。距離與劑量的關(guān)系遵循“平方反比定律”[23-24]：劑量D正比于距離X的平方的倒數(shù)，見公式(4)，即，從輻射源發(fā)出的劑量隨著距離的增加而大幅減少，反之，距離的縮短將導致劑量迅速增加。

雖然增加距離是一種理論上可行的防護措施，但是對于口腔醫(yī)院和診所的實際應用價值是有限的。因為空間增加造成成本的大幅上升。對于口腔CBCT設(shè)備，主要通過設(shè)置屏蔽體削弱散射X射線來達到醫(yī)生和公眾受到的輻射劑量限值的要求。在設(shè)計輻射屏蔽設(shè)施時，應根據(jù)劑量限值來確定屏蔽間(包括墻壁、門、窗、地板和天花板)的屏蔽能力。在屏蔽計算中應充分考慮輻射劑量的影響因素，例如，患者人次、設(shè)備的輻射輸出、設(shè)備的擺放和運轉(zhuǎn)以及屏蔽間的可用面積等，以確保在設(shè)施運行時不會超過劑量限值[25]。

3 小結(jié)

CBCT掃描的有效劑量遠低于天然輻射，誘發(fā)受檢者發(fā)生癌癥或子代遺傳疾病的可能性極低。即使這樣，醫(yī)生和廠商在診斷過程中仍然需要遵循“ALARA”原則，在保證臨床需要的前提下盡量降低或避免不必要的劑量。

醫(yī)生應通過判斷受檢者身體情況，權(quán)衡受檢者所受劑量和成像質(zhì)量，調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置。在掃描過程中還應使用恰當?shù)姆雷o用品。并且，對于兒童或孕婦（胎兒）的放射診斷需要額外慎重。

對于醫(yī)生和公眾受到的散射劑量，可以通過設(shè)置屏蔽體來降低散射劑量。在設(shè)計輻射屏蔽設(shè)施時，應充分考慮設(shè)備當前的使用頻率和行業(yè)未來的發(fā)展?？梢灶A見口腔CBCT在未來的應用將更加廣泛，建議設(shè)備采購方將屏蔽間的屏蔽能力設(shè)計得更加保守，以防止將來工作負載增加時更改屏蔽設(shè)施。