數(shù)字化胸部X射線攝影中銅濾過對受檢者輻射劑量的影響

閔高瑜，李 鑫，趙 峰，何 偉，胡益斌

(南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)工程處，南京 210029)

胸部X射線攝影是最常見和最經(jīng)濟(jì)的普通放射檢查[1-4]，它是肺部、心臟和胸部骨骼異常的首選影像檢查[5-6]。然而，在滿足臨床診斷需求的同時，胸部X射線攝影會給受檢者帶來電離輻射的風(fēng)險(xiǎn)[7-9]。

目前，國內(nèi)學(xué)者對于降低X射線檢查中受檢者輻射劑量進(jìn)行了一定程度的研究。袁穎等人[10]研究了管電壓對輻射劑量和圖像質(zhì)量的影響,吳柯微等人[11]比較了不同掃描方式對胸部低劑量圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響,袁穎等人[12]探索了螺距對胸部圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響。診斷用X射線攝影裝置在產(chǎn)生X射線過程中，會包含一部分波長較長的低能射線。這部分軟射線不能幫助提高圖像質(zhì)量，反而會被人體吸收，增加受檢者的輻射風(fēng)險(xiǎn)。被人體吸收的射線有可能造成受檢者細(xì)胞凋亡或基因變異[1-2,13]。通過在X射線球管窗口增加濾過的方式，可以減少部分軟射線，從而降低受檢者的輻射劑量。因此，探討附加銅濾過對輻射劑量的影響有其重要意義。本研究主要評估不同厚度的附加銅濾過對受檢者輻射劑量和圖像質(zhì)量的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)字化X射線攝影系統(tǒng)和模體

本研究采用的數(shù)字化X射線成像系統(tǒng)是西門子公司生產(chǎn)的一款多功能數(shù)字化醫(yī)用X射線透視攝影系統(tǒng)，其型號為Luminos dRF Max。該系統(tǒng)包含有一塊非晶硅碘化銫固態(tài)平板探測器，其尺寸為43 cm×43 cm，像素矩陣為2 880×2 880，像素大小為148 μm，圖像采集灰階為16 bit。

采用2.54 cm厚，20 cm×20 cm大小的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)作為測試模體[14-15]，數(shù)量總計(jì)12塊。不同數(shù)量的PMMA模體組合，可以模擬不同厚度的人體組織。同時，采用0.375 mm厚，5 mm×5 mm大小的銅箔(純度為99.98%)作為對比度測試模體，用以模擬病灶組織。

1.2 劑量檢測儀和體表入射劑量

體表入射劑量的測量使用瑞典奧利科公司生產(chǎn)的一款專業(yè)級劑量檢測儀，型號為比拉那(Piranha)。其采用固態(tài)探測器技術(shù)，無需溫度氣壓修正，同時支持電離室技術(shù)。主機(jī)內(nèi)置主動能量補(bǔ)償，并采用緊湊堅(jiān)固設(shè)計(jì)，支持背部散射保護(hù)技術(shù)。該檢測儀于2020年7月8日進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，采集數(shù)據(jù)時在其使用有效期內(nèi)。

圖1展示了實(shí)驗(yàn)成像時的幾何位置關(guān)系，球管焦點(diǎn)到平板的距離(source to image distance，SID)為150 cm，束光器窗口剛好覆蓋PMMA模體。首先，將PMMA模體放置在檢查床上，使其位于照射野的中央。同時將銅箔和劑量檢測儀放置在其上表面，并保持劑量檢測儀的探測器中心與射線中心重合。然后，選擇系統(tǒng)自帶的胸部后前位器官程序，設(shè)置管電壓為90 kV，并采用小焦點(diǎn)技術(shù)和自動曝光控制(auto exposure control，AEC)技術(shù)。在不同PMMA模體的厚度(25.4～304.8 mm)下，分別采用0 mm(無附加銅濾過)、0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm的銅濾過進(jìn)行攝影。每組攝影3次，依次記錄體表入射劑量(entrance surface dose，ESD)，并借助第三方圖像分析軟件計(jì)算圖像的對比度噪聲比。

1.3 圖像質(zhì)量評估

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像質(zhì)量評估，主要由經(jīng)驗(yàn)豐富的影像診斷醫(yī)師進(jìn)行打分實(shí)現(xiàn)。這種評價方法，容易受主觀因素的影響，導(dǎo)致結(jié)果偏差大。為了避免這種弊端，本研究采用對比度噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)參數(shù)來評估圖像質(zhì)量，其結(jié)果更為客觀和穩(wěn)定[16-17]。CNR值越高，表明圖像質(zhì)量越好。公式(1)定義了CNR：

(1)

式中，Amean(Cu)和Amean(B)分別表示圖像中銅箔和背景的像素均值，SD(Cu)和SD(B)分別表示圖像中銅箔和背景的標(biāo)準(zhǔn)差。利用第三方圖像分析軟件ImageJ 1.8.0[18]，分別獲取銅箔信號和周邊相同面積的背景噪聲的像素均值和標(biāo)準(zhǔn)差，帶入公式(1)后，計(jì)算得到該圖像的CNR值。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS Statistics 25.0，首先進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，sig值>0.05就可認(rèn)為方差齊性的假設(shè)成立。相同厚度PMMA模體下不同濾過的ESD值的比較采用ANOVA檢驗(yàn)，兩兩濾過之間的ESD值的比較采用Bonferroni檢驗(yàn)。當(dāng)p<0.05時，認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同銅濾過對CNR的影響

表1和圖2為不同模體厚度下，每一幅影像經(jīng)第三方分析軟件ImageJ 1.8.0計(jì)算得到的CNR值。由圖2可見，在不同附加銅濾過(0.0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm)下，CNR值隨PMMA模體厚度的增加(從25.4 mm開始，每次增加25.4 mm，直到304.8 mm)逐漸減小；在同一模體厚度條件下，CNR值基本保持不變。圖3為不同銅濾過下的胸部X射線攝影圖像質(zhì)量比較。由圖3可見，不同附加銅濾過下的胸部攝影圖像質(zhì)量幾乎沒有差異。

圖3 0 mm(A)、0.1 mm(B)、0.2 mm(C)和0.3 mm(D)銅濾過下的4張影像Fig.3 Chest photography under 0 mm(A)，0.1 mm(B)，0.2 mm(C) and 0.3 mm(D) copper filters

表1 不同模體厚度下銅濾過對CNR的影響Tab.1 The influence of copper filtration onCNR under different phantom thickness

2.2 不同銅濾過對體表入射劑量的影響

表2和圖4為不同模體厚度和不同銅濾過下的體表入射劑量。由表2可見，不同PMMA模體厚度和不同銅濾過下，體表入射劑量的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由圖4可見，在不同附加銅濾過(0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm)下，體表入射劑量隨PMMA模體厚度的增加(從25.4 mm開始，每次增加25.4 mm，直到304.8 mm)逐漸升高。當(dāng)無添加銅濾過時，在不同PMMA模體厚度下，體表入射劑量分別為0.012 mGy、0.022 mGy、0.037 mGy、0.071 mGy、0.118 mGy、0.202 mGy、0.355mGy、0.591 mGy、0.943 mGy、1.402 mGy、2.373 mGy、2.519 mGy。當(dāng)添加銅濾過后，在不同PMMA模體厚度下，體表入射劑量均有一定幅度下降。當(dāng)銅濾過為0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm時，體表入射劑量分別下降24%～29%、33%～42%和39%～47%。

表2 不同銅濾過對體表入射劑量ESD的影響Tab.2 The influence of different copper filtration on the body surface dose

圖4 體表入射劑量ESD隨PMMA模體厚度的變化趨勢Fig.4 The variation trend of the entrance surface dosewith the thickness of the PMMA phantom

3 討論

當(dāng)PMMA模體厚度增加時，CNR會隨之減小，圖像質(zhì)量相應(yīng)下降。這是因?yàn)槲矬w厚度越大，有用線束穿透過程中衰減的越多，到達(dá)射線探測器的信號越小，同時散射線會隨物體厚度的增加而增加，圖像背景噪聲也隨之加大，最終導(dǎo)致圖像的對比度噪聲比降低，圖像質(zhì)量變差。在PMMA模體厚度不變的條件下，隨著附加銅濾過的增加，圖像的CNR值基本保持不變。這是因?yàn)殂~濾過只吸收了低能射線，而這部分射線對成像沒有幫助，所以不會影響圖像質(zhì)量。

當(dāng)PMMA模體厚度增加時，體表入射劑量會隨之增大，受檢者的輻射吸收劑量也會相應(yīng)增加。這是因?yàn)殡S著模體厚度的不斷增加，穿透的射線量會減少。在AEC自動曝光控制的作用下，為了維持平板探測器的表面入射劑量，X射線發(fā)生裝置會提高其輻射輸出量。在PMMA模體厚度不變的條件下，隨著銅濾過厚度的增加，體表入射劑量隨之減小，受檢者的輻射吸收劑量相應(yīng)減少。這是因?yàn)榫€束中的低能X射線大部分被附加銅濾過吸收。

本研究的不足之處在于，使用的PMMA模體只能模擬人體脂肪和肌肉等軟組織，并沒有考慮胸部骨骼、肺、心臟等其它組織對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。需要在今后的研究中，使用更能真實(shí)反映人體胸部結(jié)構(gòu)的仿真模體。同時，本研究的攝影模式采用了AEC一點(diǎn)式技術(shù)，管電壓固定設(shè)置為90 kV。有關(guān)研究表明，管電壓也會對圖像質(zhì)量和體表入射劑量產(chǎn)生影響[10]。在接下來的實(shí)驗(yàn)中，可以研究在不同的管電壓條件下，銅濾過對圖像質(zhì)量和體表入射劑量的影響。此外，本研究使用的設(shè)備是西門子Luminos dRF Max數(shù)字化醫(yī)用X射線透視攝影系統(tǒng)，對于其他廠家和型號的數(shù)字化攝影系統(tǒng)是否有相同的結(jié)果，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究表明，在不同PMMA模體厚度下，圖像質(zhì)量不隨銅濾過的增加而明顯降低。另一方面，受檢者體表入射劑量隨附加銅濾過的增加有不同程度的減少。附加銅濾過越厚，體表入射劑量減少的幅度越大。當(dāng)銅濾過為0.3 mm時，體表入射劑量最多能下降47%。然而，在AEC模式下，過多的銅濾過會增加球管的輻射輸出量，進(jìn)而影響其使用壽命。因此，在胸部攝影實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)在球管和系統(tǒng)負(fù)載可承受的范圍內(nèi)，適當(dāng)增加銅濾過，但建議一般不超過0.3 mm。這樣既能保證圖像質(zhì)量，又可以有效減少受檢者的輻射吸收劑量。