利用小焦点多束X射线源技术实现的高分辨率口内断层成像

《Applied Radiation and Isotopes》：High-Resolution Intraoral Tomosynthesis Imaging using Small Focal Spot Multi-Beam X-Ray Source Technology

基于多束X射线源的高分辨率牙科三维成像系统研究及实验验证。系统分析了焦点尺寸、探测器像素等关键参数对线对分辨率的影响，构建实验平台验证了70kV/7mA工作参数下多束X射线源的性能，实现31.3μm（16 lp/mm）分辨率，支持每秒七次投影角采集，临床验证对龋齿、牙髓病变及微骨折的可靠诊断。

　　

唐华平|李国宇|潘金松|陈金梅|赖胜|陈志强

清华大学工程物理系，北京100084

摘要

随着对口腔健康评估需求的增加，获取更详细和有信息量的视觉数据变得尤为重要。为了实现高分辨率的牙齿成像，本研究对先进的X射线成像技术进行了研究。本文提出采用多束X射线源来实现高分辨率的3D口腔成像。系统地分析了焦点尺寸、探测器像素尺寸、系统放大倍数和线对分辨率等关键参数。建立了一个理论框架来推导X射线成像的分辨率公式，确定了影响成像分辨率的关键因素。构建了一个实验平台对多束X射线管进行了性能测试。测试结果显示，X射线管在70 kV的阳极电压和7 mA的电流下工作。测得的焦点尺寸范围为0.43毫米至0.52毫米，平均值为0.47毫米，标准差为0.028毫米。线对分辨率测试确认所有焦点均达到了16 lp/mm的目标分辨率。对X射线成像系统的系统分析表明，通过使用多束X射线管和18.5 μm像素的探测器，并在1.04的放大倍数下以20 fps的帧率运行，该系统实现了每个焦点31.3 μm（16 lp/mm）的高分辨率成像，从而能够在一秒内获取七个投影角度的图像。实验结果明确验证了多束X射线源在检测各种牙齿病变方面的临床潜力，证明了其可靠性和适用于高分辨率口腔成像的应用。

引言

牙齿X射线成像是医学领域X射线应用的一个关键分支，主要包括三种模式：口腔内放射摄影、全景放射摄影和锥形束计算机断层扫描（CBCT）。¹然而，由于牙齿的复杂解剖结构、不同的组织成分、异质的密度分布以及有限的口腔空间，现有的牙齿成像技术在实现高分辨率的三维可视化方面面临重大挑战。^{2, 3}CBCT在三维牙齿成像中可实现的空间分辨率通常低于3 lp/mm，这仍然远低于临床牙齿诊断和治疗所需的高于10 lp/mm的分辨率。¹X射线断层扫描在牙齿应用中具有独特的优势，包括微米到纳米级的分辨率、区分密度和成分的能力、动态实时成像以及适应多种尺度复杂解剖结构的能力。这些特点突显了其在高级牙齿可视化方面的巨大潜力。大型X射线源设备，如同步辐射⁴和自由电子激光X射线⁶，虽然能够生成用于高清晰度成像的高亮度单色X射线，但由于X射线源的体积和操作复杂性，目前仍难以应用于临床医学成像。⁷早期的X射线断层扫描临床应用受到长时间机械扫描和精确源定位需求的限制。⁸最近多束X射线源技术的进步使得能够使用超过七个位置的单线焦点阵列，在70–160 kV和2–15 mA的条件下运行。随着多束X射线源设计的成熟，静态三维成像已成为可能，为高分辨率、低剂量的口腔断层成像提供了有希望的途径。^{9, 10}

最近的研究中，多束X射线源在医学三维成像中的应用引起了广泛关注。^{11, 12}Puett等人证明，静态口腔断层合成可以有效减少投影伪影，生成清晰度高的2D诊断图像。¹³Huang等人开发了一种自动化分割方法，能够将单个牙齿分离并映射到解剖学上准确的图表中，定位准确率达到92.78%。¹⁴Chen等人结合图像处理和深度学习技术，同时检测牙周炎和龋齿，诊断准确率超过95%。¹⁵Son等人开发了一种基于图的聚类算法用于牙齿分类，显示出增强临床决策的强大潜力。¹⁶Wolfgang等人使用多束X射线光学系统实现了高速断层扫描，曝光时间为1毫秒，无需样品或系统移动。¹⁷Liang等人开发了一种多束X射线成像系统，实现了亚毫秒级的时间分辨率和约10 μm的空间分辨率的四维断层成像。¹⁸Park等人开发了一种由85个X射线发射器组成的线性阵列，用于数字胸部断层合成系统，能够生成多个X射线投影以重建3D胸部图像。¹⁹尽管这些研究通过辅助算法方法解决了图像解释问题，但它们并未解决一个核心限制——X射线源的性能，特别是焦点尺寸。

本研究提出使用多束X射线源进行高分辨率口腔3D成像。我们系统地研究了焦点尺寸、探测器像素尺寸和放大倍数对线对分辨率的影响。实验结果验证了这种方法的临床可行性，证明了其在检测龋齿、牙髓状况和微骨折方面的可靠性和诊断准确性。

部分摘录

高分辨率口腔断层成像系统

口腔断层成像系统的核心是一个七束冷阴极X射线源²⁰和具有小像素尺寸的高帧率数字平板探测器，如图1所示。通过利用七个离散的焦点，该系统从不同方向捕获牙齿的角投影。然后使用断层重建算法处理这些投影，生成牙齿结构的横截面图像。

可实现的图像分辨率为

测试与分析

基于多束冷阴极X射线管的口腔断层成像系统被构建并进行了评估。测试过程包括三个主要阶段。首先，在70 kV的阳极电压和7 mA的阳极电流下测试X射线源，以确保稳定的性能和安全操作。然后测量每个焦点的实际尺寸，以评估尺寸变化对图像分辨率的影响。最后，使用牙齿模型测试了系统的诊断能力

结论

本研究介绍了一种基于多束X射线管的高分辨率口腔断层成像系统的开发。对焦点的实验表征显示，焦点尺寸范围为0.43毫米至0.52毫米，平均值为0.47毫米，标准差为0.028毫米。尽管存在这种焦点尺寸的变化，但使用标准线对模体的实际分辨率测试确认所有焦点都达到了系统目标分辨率16 lp/mm。通过系统的分辨率分析

CRediT作者贡献声明

陈志强：监督、资源、方法论。潘金松：概念化、资源。李国宇：写作——审阅与编辑、写作——初稿、调查、正式分析、数据管理。陈金梅：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证。赖胜：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证。唐华平：写作——审阅与编辑、写作——初稿、项目管理、方法论、数据管理、概念化

利益冲突声明

作者们在本手稿的内容上没有潜在的利益冲突。

竞争利益声明

? 作者声明以下可能被视为潜在竞争利益的财务利益/个人关系：唐华平、李国宇、潘金松、陈金梅、赖胜、陈志强报告称获得了国家自然科学基金重大项目的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争利益或可能影响工作的个人关系

致谢

本工作得到了国家自然科学基金重大项目（项目编号12327809）的支持。