Evaluation of the radiation dose from dental cone-beam computed tomography: short communication

Full Text

Обоснование

Проведено значительное число исследований с целью расчёта дозы облучения, получаемой обследуемыми при конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) [1–3]. В большинстве исследований для оценки стандартных доз пациента применяли термолюминесцентные дозиметры (ТЛД), размещённые в фантомах, составленных из материалов, эквивалентных по свойствам биологическим тканям [4–6]. КЛКТ внедрили в стоматологическую практику P. Mozzo и соавт. [7] в 1998 году. Данный метод позволяет получать трёхмерные (3D) изображения головы и шеи и его используют в различных областях стоматологии, включая хирургическую стоматологию, эндодонтию, травматологию, имплантологию, ортодонтию и диагностику поражений и заболеваний мягких тканей головы и шеи [8–10]. В настоящее время КЛКТ — один из наиболее важных и эффективных инструментов в диагностике заболеваний челюстно-лицевой области, планировании лечения и лучевой терапии [11–13]. Обследования с использованием данного метода связаны с большей дозой облучения по сравнению с традиционной панорамной рентгенографией, но с меньшей по сравнению с традиционной компьютерной томографией (КТ) [1, 13]. В стоматологической рентгенодиагностике специалисты часто отдают предпочтение КЛКТ по сравнению с КТ благодаря таким преимуществам, как более высокое качество изображения, ценовая доступность, компактность оборудования, широкое распространение и меньшая доза облучения. Кроме того, КЛКТ более удобна для стоматологов при получении и анализе изображений, а также она обеспечивает больший комфорт для пациентов благодаря технологическим усовершенствованиям [3, 14, 15]. Однако величина дозы облучения при КЛКТ зависит от конфигурации системы и протокола сканирования [16]. При КЛКТ возможны различные варианты полей обзора и настроек размера вокселя, которые можно адаптировать для стоматологических исследований. Так, большие, средние и малые поля обзора позволяют получать объёмы, достаточные для визуализации челюстно-лицевой области, дентoальвеолярных структур и локализованных зон соответственно [17, 18]. Радиационное поле при стоматологических исследованиях охватывает область головы и шеи, включая глаза, щитовидную железу и слюнные железы [19–21]. В связи с этим важно минимизировать дозу облучения при КЛКТ из-за сопряжённых радиологических рисков [5, 10, 22]. При этом качество изображения должно оставаться оптимальным даже при снижении дозы облучения [20, 21].

Цель

Оценить дозы облучения семи тканей при трёх протоколах сканирования с использованием конусно-лучевого компьютерного томографа KaVo OP 3D Pro, а также изучить влияние вариантов пространственного разрешения на величину эффективной дозы.

Методы

Дизайн исследования

Проведено экспериментальное (in vitro) одноцентровое исследование.

Конусно-лучевая компьютерная томография

В настоящем исследовании использовали конусно-лучевой компьютерный томограф KaVo ORTHOPANTOMOGRAPH® (OP) 3D Pro (KaVo Dental GmbH, Германия). Для протоколов 1, 2 и 3 применяли одно и то же поле обзора (13×15 см), которое охватывает бóльшую часть челюстно-лицевой области (табл. 1). Настройки разрешения для протоколов 1, 2 и 3 соответственно были следующими:

• низкое разрешение (размер вокселя 420 мкм);
• стандартное разрешение (размер вокселя 380 мкм);
• высокое разрешение (размер вокселя 320 мкм).

 

Таблица 1. Параметры протоколов конусно-лучевой компьютерной томографии, использованных в исследовании
Параметр	Протокол
	1	2	3
Размер вокселя, мкм	420	380	320
Поле обзора, см	13×15	13×15	13×15
Напряжение на трубке, кВ	90	90	90
Ток трубки, мА	3,2	5	8
Время экспозиции, с	4,5	8,1	8,1
Разрешение	Низкое	Стандартное	Высокое
Применение	Ортодонтия и первичные обследования	Общая стоматология и рутинные обследования	Планирование имплантации, эндодонтические и пародонтологические исследования

 

Таким образом, меньший размер вокселя соответствует более высокому разрешению, хотя и сопровождается снижением силы тока трубки.

Использование одного томографа обусловлено практическими соображениями, такими как наличие оборудования в учреждении и акцент на применении имеющихся ресурсов, что позволило детально изучить возможности одной модели.

Методологические преимущества такого подхода включают:

• согласованность благодаря стандартизации качества изображений;
• оптимизацию для более глубокого понимания и совершенствования;
• повышение надёжности за счёт снижения вариабельности при интерпретации результатов диагностики.

Кроме того, данный подход обеспечивает экономическую эффективность за счёт минимизации затрат на оборудование и обучение, развитие специализированной экспертизы и упрощение рабочего процесса за счёт знакомства персонала с системой.

Диапазон параметров сканирования протоколов КЛКТ, использованных в настоящем исследовании, включал:

• источник рентгеновского излучения (90 кВп, 5–100 мА);
• детектор (плоскопанельный детектор с комплементарной структурой металл–оксид–полупроводник);
• размер вокселя (420, 380 и 320 мкм);
• поле обзора (13х15 см);
• время сканирования (8–27 с);
• диапазон дозы (50–350 мкЗв).

Программное обеспечение и средства интеграции, использованные в исследовании, включали KaVo OP 3D Imaging Software® (KaVo Dental GmbH, Германия), совместимость с DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), а также интеграцию со стоматологическими программами (например, OrthoAnalyzer, Implant Planning Software).

Оценка поглощённой и эффективной дозы

Измерения радиационного облучения проводили с использованием дозиметров TLD-100® (LiF) (Thermo Fisher Scientific, США). Дозиметры помещали в герметичный пластиковый контейнер и фиксировали внутри антропоморфного фантома, как показано на рис. 1. Всего использовали 63 дозиметра (по 21 чипу для каждого протокола КЛКТ), которые располагались в семи анатомических зонах, представленных на рис. 2 и перечисленных в табл. 2.

 

Рис. 1. Термолюминесцентный дозиметр TLD-100® (LiF) (Thermo Fisher Scientific, США).

 

Рис. 2. Фантом.

 

Таблица 2. Анатомическое расположение термолюминесцентных дозиметрических чипов внутри фантома
Анатомическая область	Идентификаторы термолюминесцентных дозиметров для каждого протокола конусно-лучевой компьютерной томографии
Глотка	Протокол 1: 1, 2, 3; протокол 2: 22, 23, 24; протокол 3: 43, 44, 45
Зубы	Протокол 1: 4, 5, 6; протокол 2: 25, 26, 27; протокол 3: 46, 47, 48
Щека	Протокол 1: 7, 8, 9; протокол 2: 28, 29, 30; протокол 3: 49, 50, 51
Глаза	Протокол 1: 10, 11, 12; протокол 2: 31, 32, 33; протокол 3: 52, 53, 54
Лобная область	Протокол 1: 13, 14, 15; протокол 2: 34, 35, 36; протокол 3: 55, 56, 57
Средняя часть черепа	Протокол 1: 16, 17, 18; протокол 2: 37, 38, 39; протокол 3: 58, 59, 60
Затылочная область	Протокол 1: 19, 20, 21; протокол 2: 40, 41, 42; протокол 3: 61, 62, 63

 

Перед облучением дозиметры на основе фторида лития [TLD-100® (LiF) (Thermo Fisher Scientific, США)] калибровали в соответствии с процедурами, описанными в справочнике по термолюминесценции [23]. Калибровка позволила установить зависимость между показаниями ТЛД и дозами рентгеновского излучения, которую затем использовали для оценки поглощённых доз в анатомических областях фантома. Для каждого облучения использовали 21 дозиметр. Дополнительно использовали три ТЛД для оценки фонового излучения, которое составило 0,013 мГр. Минимальные зарегистрированные показания ТЛД превышали этот фоновый уровень в три раза; данный показатель был вычтен из показаний дозиметров.

Отжиг всех ТЛД перед облучением проводили в муфельной печи Gallenkamp® (Gallenkamp & Co. Ltd., Великобритания) при температуре 400 °С в течение 1 ч, с последующей низкотемпературной термообработкой при 100 °С в течение 2 ч. После облучения выполняли дополнительный отжиг при 100 °С в течение 10 мин [23]. Для считывания термолюминесцентного сигнала использовали ридер Harshaw 2000 B/C® (Harshaw Filtrol Partnership, США).

Эффективную дозу (E) рассчитывали в зивертах (Зв) в соответствии с рекомендациями ICRP (International Commission on Radiological Protection) 60 с использованием следующего уравнения [24]:

$E=\sum _T{W}_T\times H_T,$ (1)

где W_T — взвешивающий коэффициент для каждой ткани или органа (T), а H_T — эквивалентная доза в ткани или органе, Зв.

$H_T=D\times W_R,$ (2)

где H_T — эквивалентная доза в ткани или органе, Зв; W_R — взвешивающий коэффициент излучения; D — поглощённая доза, Гр. Для рентгеновского излучения значение W_R равно единице [25]. Таким образом, величина эффективной дозы зависит от поглощённой дозы (D) и взвешивающих коэффициентов тканей (W_T).

Сведения об ошибках измерений включают факторы, влияющие на эффект затухания, среди которых:

• тип материала ТЛД [дозиметры TLD-100® (LiF) (Thermo Fisher Scientific, США)];
• уровень дозы (при более высоких дозах выраженность затухания выше);
• время хранения (чем дольше хранение, тем больше затухание);
• температура (более высокие температуры ускоряют процесс затухания).

Влияние затухания на дозиметрию проявляется в недооценке дозы (снижение зарегистрированных значений), неточности дозовых оценок, что отражается на радиационной безопасности и соблюдении нормативных требований, а также в проблемах калибровки, поскольку затухание влияет на калибровку прибора.

Этическая экспертиза

Проведение данного исследования одобрено этическим комитетом кафедры фундаментальных наук Стоматологического колледжа Университета Басры (протокол № 1022 от 07.11.2023).

Статистические методы

Для обработки данных использовали пакет статистических программ IBM SPSS Statistics®, версия 26 (IBM Corp., США). Для статистического анализа применяли однофакторный дисперсионный анализ с апостериорным сравнением. Доверительный интервал для среднего значения составлял 95%, а уровень статистической значимости р ≤0,05.

Результаты

Измеренные значения поглощённых (D) и эффективных доз (E) для различных тканей — глотки, зубов, щеки, глаз, лобной области, средней части черепа и затылочной области — в зависимости от протокола КЛКТ (протокол 1, низкое разрешение; протокол 2, стандартное разрешение; и протокол 3, высокое разрешение) приведены в табл. 3. Наибольшую поглощённую дозу в различных анатомических областях зафиксировали при следующих протоколах: в глотке — при протоколе 2 (7,719 мГр), в зубах — при протоколе 3 (16,326 мГр), в щеке — при протоколе 3 (25,053 мГр), в глазах — при протоколе 3 (12,962 мГр), в области лба — при протоколе 3 (8,465 мГр), в средней части черепа — при протоколе 3 (20,904 мГр), в затылочной области — при протоколе 2 (7,8 мГр). При оценке эффективной дозы протокол 3 в целом демонстрировал более высокие значения, за исключением глотки и затылочной области, где наибольшие эффективные дозы наблюдали при протоколе 2. Наблюдаемые различия представлены на рис. 3 и 4. Данные о статистически значимых и незначимых различиях между протоколами и тканями приведены в табл. 4.

 

Таблица 3. Поглощённые и эффективные дозы для различных тканей в зависимости от протокола конусно-лучевой компьютерной томографии
Протокол 1		Протокол 2		Протокол 3
D, мГр	E, мЗв	D, мГр	E, мЗв	D, мГр	E, мЗв
Глотка
0,473 (0,113–1,838)	0,023 (0,011–0,551)	7,719 (1,855–10,551)	0,385 (0,025–1,255)	1,565 (0,951–3,146)	0,078 (0,012–0,544)
Зубы
4,95 (1,453–5,755)	0,049 (0,182–1,222)	13,215 (3,211–25,122)	0,132 (0,911–2,202)	16,326 (2,541–28,512)	0,163 (0,055–1,308)
Щека
5,378 (0,341–4,662)	0,053 (0,189–2,520)	12,684 (1,024–20,441)	0,126 (0,23–1,599)	25,053 (5,226–30,905)	0,250 (0,155–1,345)
Глаза
2,099 (1,565–7,611)	0,020 (0,997–3,105)	7,577 (0,025–11,259)	0,075 (0,051–1,658)	12,962 (4,467–18,509)	0,129 (0,054–2,411)
Лобная область
3,46 (2,001–5,133)	0,034 (0,118–1,251)	5,104 (1,052–7,788)	0,051 (0,022–1,422)	8,465 (3,369–10,201)	0,084 (0,055–1,655)
Средняя часть черепа
4,894 (0,343–1,526)	0,048 (0,222–0,908)	13,013 (3,522–25,554)	0,130 (1,02–2,487)	20,904 (7,122–36,414)	0,209 (0,190–0,989)
Затылочная область
2,61 (0,902–2,881)	0,026 (1,052–1,558)	7,8 (1,288–9,333)	0,078 (0,011–0,844)	4,188 (0,988–4,322)	0,041 (0,012–0,068)
Примечание. D — поглощённая доза; E — эффективная доза. Результаты представлены с 95% доверительным интервалом.

 

Рис. 3. Распределение поглощённой дозы в различных тканях при использовании разных протоколов конусно-лучевой компьютерной томографии.

 

Рис. 4. Распределение эффективной дозы в различных тканях при использовании разных протоколов конусно-лучевой компьютерной томографии.

 

Таблица 4. Апостериорное сравнение, указывающее на статистически значимые и незначимые различия между протоколами конусно-лучевой компьютерной томографии и дозами облучения тканей
Протокол	р
	Поглощённая доза (D), мГр	Эффективная доза (E), мЗв
1 и 2	0,0004	0,056
2 и 3	0,234	0,953
1 и 3	0,013	0,006

 

Обсуждение

Наибольшая эффективная доза зафиксирована при наивысшем разрешении, что обусловлено прямой зависимостью между настройками разрешения и величиной эффективной дозы. Результаты настоящего исследования согласуются с ранее опубликованными данными, указывающими на обратную зависимость между размером вокселя и эффективной дозой [21]. Таким образом, общепризнанно, что изменения параметров экспозиции при КЛКТ напрямую влияют на величину эффективной дозы.

При использовании протоколов КЛКТ наибольшие поглощённые дозы отмечали в области щеки и зубов, поскольку эти ткани непосредственно подвергались воздействию первичного пучка (см. рис. 3). Напротив, наименьшие поглощённые дозы наблюдали в области глотки и лобной области, поскольку эти зоны располагались на большем расстоянии от пучка рентгеновского излучения. Основную роль в облучении тканей, находящихся за пределами первичного пучка, играло рассеянное излучение внутри организма. Полученные данные согласуются с результатами предыдущих исследований, в которых определяли наибольшие и наименьшие поглощённые дозы для этих тканей [18]. На рис. 4 представлены значения эффективных доз (E) для различных тканей в зависимости от протокола КЛКТ.

В настоящем исследовании сравнивали влияние режимов низкого, стандартного и высокого разрешения на эффективную дозу облучения. Как и ожидалось, эффективная доза находилась в обратной зависимости от размера вокселя и в прямой зависимости от разрешения, что в первую очередь связано с более продолжительным временем экспозиции при высоком разрешении. Этот результат согласуется с некоторыми опубликованными исследованиями [21, 26, 27], подчёркивающими необходимость высококачественных изображений при возрастании радиационных рисков, связанных с этими изображениями. В нескольких работах предложены рекомендации по оптимизации настроек вокселя и снижению уровня шумов изображения [28]. Таким образом, достижение баланса между дозой облучения и качеством изображения имеет принципиальное значение.

Клиническая значимость выявленных различий доз, связанных с изменением параметров экспозиции при КЛКТ, очевидна, поскольку данные параметры существенно влияют на величину эффективной дозы. Ключевые факторы, определяющие уровень облучения, включают настройки томографа, такие как напряжение на трубке, ток трубки, время экспозиции и поле обзора, повышение которых увеличивает дозу. Стратегии снижения эффективной дозы должны предусматривать выбор оптимальных протоколов сканирования, включая низкодозовые режимы для рутинных обследований.

Основные наблюдения в данном исследовании включают следующее:

• увеличение размера вокселя снижает разрешение, но уменьшает дозу облучения;
• поддержание постоянного напряжения на трубке (90 кВ) обеспечивает стабильное качество изображения;
• протокол 3 с более высоким током трубки улучшает разрешение.

Ограничения исследования

Основными ограничениями исследования были его короткая продолжительность и одноцентровой дизайн, небольшой размер выборки, ограниченный объём государственной поддержки, а также ограничения, обусловленные доступностью оборудования и инфраструктуры.

Заключение

Данное исследование продемонстрировало, что изменения параметров экспозиции при КЛКТ существенно влияют на величину эффективной дозы. Коррекция настроек разрешения приводит к значительным вариациям в эффективной дозе, что подчёркивает важность тщательного выбора факторов экспозиции, таких как размер вокселя и режим разрешения. Стоматологи должны учитывать выбранные параметры визуализации, поскольку они напрямую отражаются на безопасности пациента.

Использованные в данном исследовании протоколы визуализации обеспечили хорошее качество изображений с чётким различием смежных структур. Однако рекомендуется проведение дальнейших исследований с использованием разнообразных подходов. Параметры, связанные с качеством изображений КЛКТ, такие как пространственное разрешение, отношение сигнал/шум и отношение контраст/шум, ещё не оценивали. Эти аспекты целесообразно изучить в будущих исследованиях для получения более прогностически значимых данных.

Дополнительная информация

Вклад авторов. A. Al-Salihi — концепция и дизайн исследования, сбор данных, ресурсное и программное обеспечение, администрирование проекта, написание и редактирование текста рукописи; A.I.L. Al-Saedi — концепция и дизайн исследования, сбор данных, администрирование проекта, написание и редактирование текста рукописи; S.J. Bader, R.Ch. Abul-Hail — концепция и дизайн исследования, сбор данных, администрирование проекта, ресурсное обеспечение, написание и редактирование текста рукописи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Проведение данного исследования одобрено этическим комитетом кафедры фундаментальных наук Стоматологического колледжа Университета Басры (протокол № 1022 от 07.11.2023).

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один внешний рецензент и член редакционной коллегии журнала.

Additional information

Author contributions: A. Al-Salihi: conceptualization, data curation, investigation, methodology, project administration, resources, software, writing—original draft, writing—review & editing; A.I.L. Al-Saedi: conceptualization, data curation, investigation, methodology, project administration, writing—original draft, writing—review & editing; S.J. Bader, R.Ch. Abul-Hail: conceptualization, data curation, investigation, methodology, project administration, resources, writing—original draft, writing—review & editing. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: The Ethics Committee of the Department of Basic Sciences, College of Dentistry, University of Basrah, approved this study (protocol No. 1022, 07-11-2023).

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: When creating this work, the authors did not use previously published information (text, illustrations, data).

Data availability statement: The editorial policy on data sharing does not apply to this work.

Generative AI: Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review: This article was submitted to the journal on an unsolicited basis and reviewed according to the usual procedure. Оne external peer-reviewer and one member of the editorial board were involved in the review process.

About the authors

Abdalrahman Al-Salihi

University of Basrah

Author for correspondence.
Email: abdalrahman.hassan@uobasrah.edu.iq
ORCID iD: 0000-0001-9828-4870

Assistant Professor

Iraq, Basrah

Aqeel Ibrahim L. Al-Saedi

University of Basrah

Email: aqeel.lazim@uobasrah.edu.iq
ORCID iD: 0000-0003-3495-784X

Assistant Professor

Iraq, Basrah

Sattar J. Bader

University of Basrah

Email: sattar.jabbar@uobasrah.edu.iq
ORCID iD: 0009-0009-5841-7929
Iraq, Basrah

Riyadh Ch. Abul-Hail

University of Basrah

Email: riydh.abalhiel@uobasrah.edu.iq
ORCID iD: 0000-0002-1897-3658

Professor

Iraq, Basrah

References

Supplementary files