Technological innovations and clinical translation of cone beam computed tomography: multimodal hardware integration and imaging algorithm optimization
Year: 2025
Type: article
Abstract: 锥形束计算机断层扫描（cone beam computed tomography, CBCT）作为高分辨率三维成像工具，在口腔医学、放疗导航及术中引导等领域具有不可替代性，但其临床深度应用仍受限于辐射剂量累积风险、金属伪影干扰及定量精度不足等限制。为突破这些制约，近年研究聚焦多模态硬件集成与智能算法协同优化：碳纳米管场发射X射线源通过多源阵列设计与快速脉冲调控，显著降低辐射剂量30–50%并扩展轴向覆盖范围，临床验证显示其将Hounsfield单位精度提升60%，软组织对比噪声比改善30–50%；光子计数探测器采用直接X光子-电荷转换机制消除电子学噪声，在低剂量条件下保持高对比度成像；双层平板探测器基于能谱分离技术实现单次曝光双能数据同步采集，碘定量误差<5%；二维反散射网格结合散射采样算法将水模体CT值不均匀性从20 HU降至10 HU，牙科植入物邻接面CT值偏差从510 HU锐减至146 HU，为定量分析奠定物理基础。 在算法层面，深度学习驱动计算成像范式革新：双域协同重建框架（如Dual-AGNet）融合投影域插值与图像域增强，从稀疏投影数据中恢复解剖细节；扩散模型通过概率生成机制解决超低剂量重建的病态逆问题，生成伪CT的Hounsfield单位误差达临床可接受范围；金属伪影抑制整合双能分解与注意力引导双编码器网络，使金属-组织界面条纹伪影减少71%；定量优化框架基于对比学习提升骨密度测量精度，并将软组织HU预测误差降低30%，显著拓展了CBCT在放疗剂量计算与骨质疏松诊断中的应用边界。 这些技术突破已催生实质性临床转化：碳纳米管双能CBCT彻底消除牙科修复体金属伪影，双层探测器技术支持脊柱机器人手术的实时动态导航。未来将通过便携式多源系统集成、联邦学习跨中心模型泛化及增强现实术中引导，进一步推动CBCT在肿瘤精准监测、微创介入等领域的深度应用，最终构建“更低辐射剂量、更高定量精度、更广临床覆盖”的智能成像新范式。
Authors: Jiangyuan Shi, Guangjun Li, Ying Song, Sen Bai
Institutions: Sichuan University, West China Hospital of Sichuan University
Language: English
Subfield: Biomedical Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W7083698635