腰椎體模X線攝影距離對圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響

呂高泉，商旭，劉磊

攝影距離（source－to－film distance，SID）是X線攝影檢查中的一個重要參數(shù)，改變SID會影像患者的輻射劑量，并對圖像質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。依據(jù)平方反比原則，輻射劑量與SID的平方呈反比，因此增加SID可以減少受檢者的輻射劑量［1－3］。目前國外的研究中SID多為100～130cm，相對胸片的SID 180cm沒有統(tǒng)一，對于操作便利性沒有幫助［4－6］。國內(nèi)的研究都沒有使用濾線柵，然而在X線攝影實踐中，需要使用濾線柵濾除散射線。目前的研究對于實際臨床使用有一定的局限性［7－8］。本文通過將腰椎SID增加到與胸片相同的距離，同時使用濾線柵進(jìn)行攝影，探討SID對輻射劑量以及圖像質(zhì)量的影像。

材料與方法

1．檢查設(shè)備

本研究采用GE Discovery 656DR儀；柵焦距為130cm的聚焦型濾線柵，適用于100～180cm的SID，柵比10／1，鉛條密度70lines／cm；球管大焦點(diǎn)尺寸1．3mm；非晶硅探測器，尺寸41cm×41cm，有源矩陣2022×2022像素，像素大小200μm，影像深度14Bit，典型DQE 68%。骨密度（BMC）腰椎體模（Hologic Part Number030－1967），體模尺寸：上下徑17．7cm，左右徑15．2cm，前后徑17．2cm。

2．圖像獲取

實驗前設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，執(zhí)行QAP（Quality Assurance Planning）程序。管電壓50～125kV，每次增加5kV，SID為100～180cm，每次增加5cm，采用中心電離室AEC（Automatic Exposure Control）曝光模式，獲得原始圖像（圖1），圖像保存為DICOM（Digital Imaging and Communication Medicine）格式。

3．參數(shù)提取

濾波：原始圖像進(jìn)行高斯濾波，高斯函數(shù)濾波能夠平滑圖像，去除隨機(jī)噪聲，并能很好的保存圖像邊緣。高斯函數(shù)參數(shù)：濾波窗口3×3，sigma＝1；Matlab高斯濾波函數(shù)：gausFilter＝fspecial（＇gaussian＇，［3，3］，1）。

提取邊緣：本研究調(diào)用Matlab（2017b，Math－Works，US）的edge函數(shù)，選用Canny算子進(jìn)行邊緣提取。Canny算子按照高低閾值將邊緣梯度信息分為弱梯度點(diǎn)，中等強(qiáng)度梯度點(diǎn)，強(qiáng)梯度點(diǎn)。算子自動剔除弱梯度點(diǎn)和獨(dú)立的中等強(qiáng)度梯度點(diǎn)，將強(qiáng)梯度點(diǎn)以及與之相連的中等強(qiáng)度梯度點(diǎn)繪制為邊緣［9－10］。

ROI選取：Matlab編程選取圖像中的腰椎區(qū)域為興趣區(qū)（region of interest，ROI），ROI要包含所有的腰椎結(jié)構(gòu)，同時ROI面積盡量小，以免計算參數(shù)時受到周圍邊緣結(jié)構(gòu)的影響。

參數(shù)計算：對ROI內(nèi)邊緣圖像進(jìn)行計算，統(tǒng)計腰椎邊緣像素點(diǎn)數(shù)目（圖2），記為邊緣長度（edge length，EL），用于評價圖像的邊緣強(qiáng)弱，從而評價圖像質(zhì)量。

4．輻射劑量參數(shù)

記錄每次曝光的入射劑量Dose和吸收劑量（dose area product，DAP）值，作為輻射劑量評價參數(shù)。Dose的單位是mGy，表示單次曝光患者的入射劑量；DAP的單位是mGy·cm2，與照射野的大小相關(guān)。DAP與被照射組織的吸收劑量成比例的變化，因此應(yīng)用DAP來評價患者的吸收劑量［11］。

5．?dāng)?shù)據(jù)分析

采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。采用Excle（Microsoft，16．13）繪制散點(diǎn)圖及曲線擬合。對不同SID所得圖像的EL值進(jìn)行配對t檢驗，以P＜0．05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1．圖像質(zhì)量比較

用Matlab編程分別計算SID為100cm和180cm圖像的EL值（表1）。SID100cm組與SID180cm組圖像EL值比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t＝1．849，P＝0．084）。

表1 SID為100cm和180cm圖像的EL值

2．最優(yōu)管電壓

用Matlab編程計算每幅圖像的EL值，按照管電壓 分 組：50kV，55kV，60kV，65kV，70kV，75kV，80kV，85kV，90kV，95kV，100kV，105kV，110kV，115kV，120kV，125kV。繪制SID－EL散點(diǎn)圖，并繪制趨勢線（圖3）。

各組管電壓組SID－EL散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合，EL＝k·SID＋b。根據(jù)擬合參數(shù)計算SID100cm和SID180cm圖 像EL的 變 化 率（rate of edge length，REL），REL＝（EL180－EL100）／EL100×100%。k為擬合直線的斜率，b為常數(shù)，REL反映圖像質(zhì)量的變化情況。由擬合方程計算不同管電壓的REL值。繪 制kV－REL曲 線（圖4）。60kV時，REL＜0，SID180cm圖像質(zhì)量優(yōu)于SID100cm；70～95kV時，0＜REL＜5%，圖像質(zhì)量變化較小。

3．SID與輻射劑量的關(guān)系

繪制60kV、70kV、75kV、80kV、85kV、90kV、95kV輻射劑量Dose，DAP隨SID變化的曲線（圖5、6）。Dose、DAP與SID都呈負(fù)相關(guān)。60kV組，輻射劑量Dose，DAP明顯高于70～95kV組，且腰椎攝影中，60kVp不能滿足臨床診斷需要，因此選定70～95kV為最優(yōu)管電壓。

計算SID100cm與SID180cm輻射劑量變化率（表2）。在管電壓70～95kV時，SID100cm與180cm比較，Dose下降44．7%～47．2%，DAP下降21．3%～24．6%。

圖1 不同SID及管電壓獲得的原始圖像。a）SID100cm，管電壓70kV；b）SID130cm，管電壓70kV；c）SID180cm，管電壓70kV；d）SID100cm，管電壓90kV；e）SID130cm，管電壓90kV；f）SID180cm，管電壓90kV。

表2 不同管電壓SID100cm和SID180cm的劑量及變化率

圖2 腰椎邊緣及選取的ROI。

討 論

本文利用腰椎體模研究SID對圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響，通過優(yōu)化的參數(shù)評價圖像質(zhì)量，結(jié)果表明：腰椎體模攝影，體模厚度17．2cm，最優(yōu)管電壓為70～95kV，圖像質(zhì)量略有下降，輻射劑量Dose、DAP顯著下降。雖然已有相關(guān)研究［12－14］證實，增加SID可以降低受檢者的輻射劑量，但這些研究都存在明顯的局限性：①SID多為100～130cm，相對胸片的SID 180cm沒有統(tǒng)一，在進(jìn)行多部位攝影時，需要多次調(diào)整SID，沒有增加便利性。②都沒有使用濾線柵，在X線攝影實踐中，體厚超過15cm，管電壓高于60kV時，為了減少散射線對圖像清晰度的影響，都需要使用濾線柵。濾線柵的使用會增加攝影條件，對受檢者的輻射劑量以及圖像的質(zhì)量都會有影響。因此，將濾線柵納入試驗中，所得的結(jié)果才更有臨床應(yīng)用價值。

腰椎攝影時增加距離，相當(dāng)于增加了空氣濾過，減少了低能X射線，射線的質(zhì)增加，使透過被照體的射線增多，被吸收的降低。AEC模式下，射線透過人體到達(dá)電離室，電離空氣產(chǎn)生電信號，到達(dá)設(shè)定閾值時停止曝光。從實驗數(shù)據(jù)來看：80kV，SID100cm時，為17．41mAs，SID為180cm時，為44．38mAs，SID增 加 為1．8倍，mAs增 加 為2．55（1．81．59）倍，應(yīng)用AEC進(jìn)行曝光，增加的mAs并未達(dá)到平方反比的理論值，這是因為射線質(zhì)增強(qiáng)，電離室要產(chǎn)生相同的電壓信號，射線量相應(yīng)減少，所以輻射量降低。

射線量的相對減少會使得圖像整體信噪比降低，組織對比度下降［15］。但增加SID，圖像放大失真減小，邊緣更佳銳利，SID的增加對圖像質(zhì)量有利也有弊。現(xiàn)有的評價圖像質(zhì)量的參數(shù)包括：由多位有經(jīng)驗的影像科醫(yī)師按照評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行主觀打分，以及信噪比、對比度等客觀評價參數(shù)。本文的原始圖像是一系列管電壓及SID在相同的腰椎后處理參數(shù)條件下獲得的，不同的攝影條件所得的圖像亮度對比度有明顯差異（圖1），這種差異會影響主觀評價參數(shù)的結(jié)果。其次，本研究使用的腰椎體模是均勻介質(zhì)中腰椎仿真模型，與人體腰椎相比是一個理想化的模型，所得圖像中腰椎解剖結(jié)構(gòu)更容易分辨，因此更適用于客觀評價方法。傳統(tǒng)評價參數(shù)均值、方差、信息熵、EI值等反映的是ROI內(nèi)圖像的整體質(zhì)量，不能真實的反映特定解剖結(jié)構(gòu)的顯示質(zhì)量。本文的腰椎體模圖像觀察的重點(diǎn)是腰椎骨骼邊緣信息，對于圖像的質(zhì)量評價主要評價邊緣結(jié)構(gòu)信息的豐富程度。因此，針對此腰椎體模圖像，提出了基于腰椎體膜骨骼邊緣提取的專用圖像評價方法。

圖3 不同管電壓SID－EL散點(diǎn)圖及擬合趨勢線。

國內(nèi)外的研究都沒有研究SID改變時，管電壓對圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響。理論上增加SID，增加了空氣對低能X射線的濾過，使射線平均能量升高，影響圖像質(zhì)量。不同的管電壓，X線的平均能量也不一樣，對圖像質(zhì)量也會發(fā)生相應(yīng)的變化，因此應(yīng)該將管電壓的變化考慮進(jìn)去。本文結(jié)合DR設(shè)備的管電壓額定范圍及常用部位的管電壓參數(shù)，將管電壓設(shè)置為50～125kV，每次增加5kV，研究管電壓連續(xù)變化時圖像質(zhì)量的變化。從實驗結(jié)果可以看出，不同的管電壓，增加SID時，圖像質(zhì)量變化有較大差異，70～95kV時，圖像質(zhì)量受SID影響較小。

臨床攝影實踐中各個部位SID的統(tǒng)一，可以大大提高工作效率。面對日益增加的就診患者，任何一個診療環(huán)節(jié)工作效率的提高，都將縮短診療周期，加快疾病的診治。患者增加的同時，每位患者的檢查項目也越來越多。其中骨關(guān)節(jié)科、風(fēng)濕科、急診外傷等科室的患者多為一次進(jìn)行多個部位的攝影。現(xiàn)有的攝影技術(shù)指南中，胸片SID為180cm，心臟SID為200cm，其他部位SID都為100cm，影像技師在進(jìn)行多部位的攝影時，需要不斷調(diào)整SID，以適應(yīng)不同的部位。同時，不同的攝影設(shè)備對SID的設(shè)置，配備濾線柵的焦距也不一致，影像技師調(diào)整SID的同時還要根據(jù)SID調(diào)整攝影參數(shù)。將各部位的SID統(tǒng)一為一個較大的SID，減少患者輻射劑量的同時，可大大提高了工作效率，縮短攝影檢查時間。

腰椎遠(yuǎn)距離攝影可以減小圖像的放大失真，減小半影，提高圖像銳利度。對身體較厚、興趣部位無法貼近探測器的部位，例如胸腹部側(cè)位，脊柱側(cè)位等進(jìn)行攝影，以及對肢體無法緊貼探測器的部位進(jìn)行攝影，物片距相對增加，此時增加SID可以優(yōu)化圖像質(zhì)量；對于某些特殊體位攝影，能夠優(yōu)化圖像質(zhì)量。有研究［16］表明，腰椎后前位攝影相對于常用的前后位攝影，可以降低20%的有效劑量。但是后前位攝影的圖像質(zhì)量比前后位稍差，原因為后前位時，脊柱距離探測器距離增加，放大失真嚴(yán)重。增加SID，有利于減小放大失真，能更好的使用后前位腰椎攝影。

本研究的局限性：本文的研究對象是固定密度、大小、形狀的腰椎體模，與人體腰部有較大的差異，體模只適用于理論研究，而復(fù)雜人體對于實驗結(jié)果的影響將在接下來的工作中進(jìn)行研究。本文提及的攝影方法對于其他人體部位是否適用將有待進(jìn)一步的理論及臨床研究。本文提出的圖像質(zhì)量評價方法只適用于該腰椎體模圖像，對于其他體模及人體圖像的評價效果未得到驗證。本文使用單一DR系統(tǒng)，不同的DR機(jī)型由于濾線柵的參數(shù)、探測器種類等因素不同，結(jié)果可能會有差異，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型參數(shù)進(jìn)行響相應(yīng)的臨床研究。

綜上所述，在腰椎體模正位X線攝影時，將SID增加到180cm，使用濾線柵，采用AEC曝光模式，管電壓在70～95kV時，圖像質(zhì)量降低很小，患者輻射劑量大幅度降低。

圖4 kVp－REL曲線。 圖5 SID－Dose曲線。 圖6 SID－DAP曲線。