林玉峰，劉冰川

全脊柱無(wú)偽影X線數(shù)字?jǐn)z影研究

林玉峰，劉冰川

目的：探討一種獲取無(wú)偽影全脊柱X線數(shù)字化圖像的方案，以確保Cobb角的測(cè)量精度。方法：搭建一個(gè)以長(zhǎng)60 cm的X線增感屏和單反數(shù)碼相機(jī)為基礎(chǔ)的新的數(shù)字成像裝置，用該裝置和直接數(shù)字化放射攝影（direct digital radiography，DDR）系統(tǒng)分別拍攝分辨率測(cè)試卡的X線圖像并比較。結(jié)果：新裝置的空間分辨率為1.6 LP/mm，接近DDR系統(tǒng)的空間分辨率，但其對(duì)比度分辨率明顯低于DDR系統(tǒng)。結(jié)論：該數(shù)字成像裝置只需一次X線曝光、不用圖像拼接就直接得到全脊柱數(shù)字化X線圖像，避免了偽影的產(chǎn)生，可保證Cobb角的測(cè)量精度。

X線攝影；全脊柱；增感屏

0 引言

Cobb角是脊柱側(cè)彎畸形矯正手術(shù)方案制訂、術(shù)后評(píng)估等脊柱外科重要的測(cè)量參數(shù)。不失真的全脊柱圖像是保證Cobb角測(cè)量精度的重要前提。X線攝影是最常用也最有效的獲得全脊柱圖像的檢查技術(shù)，要求X線膠片的長(zhǎng)度為60 cm[1]，而常規(guī)X線攝影拍攝介質(zhì)如膠片、CR使用的影像板（image plate，IP）和DDR使用的平板探測(cè)器（flat detector，F(xiàn)D）的最大邊長(zhǎng)都只有43 cm，不能一次性拍攝到全脊柱X線圖像。為了拍攝全脊柱或全下肢X線圖像，人們對(duì)多種方法進(jìn)行了探索。

1 現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題分析

1.1 特制屏—片組合體系基本沒(méi)有得到推廣應(yīng)用

張新華等[1]使用特制的長(zhǎng)膠片（61.0cm×30.5cm），一次X線曝光就可得到全脊柱X線圖像，但這種方案采用的是特制膠片的模擬技術(shù)，很難推廣應(yīng)用。

1.2 多焦點(diǎn)、多次曝光加圖像拼接成像問(wèn)題較多

多焦點(diǎn)、多次曝光加圖像拼接成像如圖1所示。

圖1 不同焦點(diǎn)下一物多像

還有許多使用數(shù)字多功能X線機(jī)、數(shù)字減影血管造影機(jī)（digital subtraction angiography，DSA）進(jìn)行全脊柱X線攝影的嘗試，這些基本上是多焦點(diǎn)、多次曝光加圖像拼接成像，除了圖像拼接誤差的問(wèn)題外，患者受到的X線輻射大、不同焦點(diǎn)成的像在不同位置是這些方法的主要不足。圖1說(shuō)明，球管和探測(cè)器相對(duì)固定，同步移動(dòng)拍攝，P點(diǎn)在2次拍攝時(shí)的像分別是P1和P2，顯然不一致。

1.3 單焦點(diǎn)成像應(yīng)用廣泛，固有問(wèn)題難克服

單焦點(diǎn)有單次曝光成像（如CR技術(shù)）和多次曝光成像（DDR技術(shù)）之分，理論上物和像是一一對(duì)應(yīng)的（如圖2所示）。史建靜等[2]使用愛(ài)克發(fā)（AGFA）公司全下肢和全脊柱軟件及攝片架，可一次曝光拍攝全下肢或全脊柱X線圖像；趙廷強(qiáng)等[3]用DDR設(shè)備，單焦點(diǎn)投照技術(shù)，2次曝光采集全脊柱2幅圖像，3次曝光采集全下肢的3幅圖像；專(zhuān)利[4]也介紹了類(lèi)似趙廷強(qiáng)等的方法拍攝全脊柱和全下肢數(shù)字X線圖像。上述2類(lèi)方法都是單焦點(diǎn)曝光成像，優(yōu)勢(shì)明顯，理論上可以完全避免由于多焦點(diǎn)成像的不一致所引起的圖像拼接困難、圖像偽影等問(wèn)題，但實(shí)際效果并不理想。

圖2 單焦點(diǎn)下物和像一一對(duì)應(yīng)

如史建靜等使用的CR技術(shù)，由于IP板在暗盒內(nèi)有一定的活動(dòng)空間，導(dǎo)致IP板在曝光時(shí)的位置就可能不一致；另外，受CR掃描儀機(jī)械精度的限制，IP板掃描的起始位置也可能不一致。這些不一致都可能使圖像拼接困難引起拼接偽影，甚至使攝影失敗。對(duì)于趙廷強(qiáng)等使用的DDR技術(shù)，要求患者在2次曝光時(shí)的體位保持一致，這很難做到。由于DDR探測(cè)器在不同位置曝光時(shí)患者的體位不一致，輕則形成圖像偽影，嚴(yán)重時(shí)攝影失敗。

1.4 狹縫技術(shù)（slot）偶爾會(huì)失敗，且存在其他問(wèn)題

狹縫技術(shù)（slot）是一種較新[5-6]基于DDR技術(shù)的多焦點(diǎn)、多幅圖像拼接，目前用于拍攝全脊柱X線圖像最快的技術(shù)。在HQ（high quality）模式下，拍攝長(zhǎng)60 cm脊柱圖像需要8 s（脈沖曝光30次，從第1到第30次X線曝光的時(shí)間），這也是該技術(shù)偶爾會(huì)失敗的主要原因（患者難以長(zhǎng)時(shí)間保持體位不變）。還有一個(gè)潛在的可能很?chē)?yán)重的問(wèn)題，在30次曝光中，如果所有相鄰2次曝光時(shí)患者的體位變化都較小，并不影響圖像拼接，但這些誤差的累積可能使Cobb角的測(cè)量值與實(shí)際嚴(yán)重不符，操作者卻全然不知。另外，拍攝上述長(zhǎng)度全脊柱需要30次曝光，狹縫長(zhǎng)度6 cm，有效長(zhǎng)僅2 cm，增加了患者的輻射量。30次曝光（320 mA、8 ms×30）才得到1幅X線圖像，從球管損耗和X線利用率考慮，很不合理。

2 研究的依據(jù)

2.1 合適曝光的X線增感屏蘊(yùn)涵豐富信息

由各種X線增感屏和X線膠片組成的屏—片體系應(yīng)用于X線攝影歷史悠久且非常成功。多數(shù)人認(rèn)為CR和DDR既能提供比屏—片組合更高的圖像質(zhì)量，又可降低患者的X線輻射劑量。

但王健等[7]用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，在同樣攝影條件下，CR系統(tǒng)影像上信息量明顯小于中速屏—片系統(tǒng)；張夢(mèng)龍等[8]指出，相同攝影條件下CR系統(tǒng)照片的噪聲要比某中速屏—片組合大；K Ono等[9]通過(guò)比較CR、DDR、屏—片組合體系等對(duì)肺腺癌檢測(cè)認(rèn)為，CR和DDR并不一定優(yōu)于屏—片組合體系，A S Laney等[10]也有類(lèi)似的結(jié)論；范志剛[11]用實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：CR的曝光劑量和劑量當(dāng)量均比感綠增感屏—片高約2～3倍mAs、2～3倍mSv；石冬等[12]撰文指出，要獲取近似相同的優(yōu)質(zhì)片，DDR攝片條件（kV/mAs）高于屏—片系統(tǒng)攝片，相對(duì)增加了患者的受照劑量。

比較一致的看法是，合適曝光、正確沖洗的屏—片組合體系產(chǎn)生的X線膠片有令人滿意的圖像質(zhì)量。因?yàn)槠痢w系膠片圖像的有效信息有超過(guò)90%來(lái)自X線增感屏上熒光的貢獻(xiàn)，X線增感屏上的信息量比X線膠片所反映出的信息量大，所以說(shuō)合適曝光的X線增感屏蘊(yùn)涵足夠豐富的信息，提示可以通過(guò)直接將X線增感屏的信息數(shù)字化以構(gòu)建數(shù)字X線成像設(shè)備。

2.2 基于CCD的數(shù)字X線攝影技術(shù)成熟

很多國(guó)際著名公司推出的以CCD為核心的數(shù)字X線攝影設(shè)備都使用碘化銫（CsI）熒光屏[13]把X線信號(hào)轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光。而在平板探測(cè)器中，也有碘化銫或硫氧化釓2種類(lèi)型的X線轉(zhuǎn)換物質(zhì)，由它們構(gòu)成的數(shù)字X線攝影系統(tǒng)適宜曝光量為1∶2[14]，說(shuō)明硫氧化釓的X線轉(zhuǎn)換效率低一些，但仍然是多家國(guó)際公司采用的主流成熟技術(shù)。

基于以上2點(diǎn)可以推測(cè)，CCD（或類(lèi)似技術(shù)）和由多塊硫氧化釓增感屏拼接成的長(zhǎng)X線增感屏可以用來(lái)構(gòu)造拍攝全脊柱的數(shù)字X線攝影設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)材料和方法

3.1 全脊柱X線數(shù)字成像裝置

主要包括佳能EOS 5D-2數(shù)碼相機(jī)、尼康A(chǔ)F Micro-Nikkor 60 mm f/2.8D鏡頭、長(zhǎng)X線增感屏和箱體（固定支架）等。尼康鏡頭通過(guò)轉(zhuǎn)接環(huán)連接到佳能數(shù)碼相機(jī)上；長(zhǎng)X線增感屏由3塊203 mm×254 mm高速稀土綠光增感屏（玉環(huán)縣福民醫(yī)療器械有限公司）拼接而成，X線有效轉(zhuǎn)換范圍為600 mm×230 mm；數(shù)碼相機(jī)和增感屏等都固定在箱體上，相機(jī)傳感器與增感屏距離為1 100 mm，數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像的長(zhǎng)度為617 mm，曝光時(shí)間設(shè)定為4 s，感光度為ISO400。

3.2 測(cè)試模塊

使用如圖3所示的測(cè)試模塊測(cè)量并比較全脊柱數(shù)字X線攝影裝置的成像效果。圖3中，在2 mm的鋁板上設(shè)置有線對(duì)卡、有機(jī)玻璃和鋁梯。線對(duì)卡用來(lái)測(cè)量空間分辨率，其最高分辨率為2.0 LP/mm；鋁梯由5塊厚度為6.18 mm的鋁板組成，置于厚度7.8 mm的有機(jī)玻璃上，用來(lái)測(cè)試密度分辨率。有機(jī)玻璃上加工了3組槽（①、②、③組，剖面如圖4所示）：①組的深度是4.0 mm；②組的深度是1.6 mm；③組的深度是0.7 mm。每組都有相同的A、B、C 3種結(jié)構(gòu)：A為寬1.0 mm槽，中間間隔1.0 mm；B為寬2.0 mm槽，中間間隔2.0 mm；C為寬4.0 mm槽。

圖4 有機(jī)玻璃剖面結(jié)構(gòu)

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用GE公司SilhouetteVR攝片機(jī)通過(guò)佳能公司的CDXI平板探測(cè)器和全脊柱X線數(shù)字?jǐn)z影裝置分別拍攝測(cè)試模塊。X線曝光條件：焦—屏距100cm，小焦點(diǎn)，管電壓100 kV，管電流固定160 mA。自測(cè)試模塊中的線對(duì)卡剛能分辨時(shí)的曝光劑量（mAs）開(kāi)始，逐級(jí)增加mAs拍攝多幅圖像。

（2）用島津公司SONIALVITION Safire17多功能數(shù)字平板X(qián)線攝影系統(tǒng)的狹縫技術(shù)拍攝測(cè)試模塊。焦—屏距110 cm（該機(jī)器焦—屏距固定分擋），以測(cè)試模塊中的線對(duì)卡不會(huì)過(guò)曝光為準(zhǔn)，用多級(jí)不同mAs拍攝多幅圖像，便于與前一實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

4 結(jié)果

4.1 CDXI平板探測(cè)器的拍攝結(jié)果

當(dāng)拍攝條件為2 mAs時(shí)，圖像噪聲很大，線對(duì)卡勉強(qiáng)可分辨0.8 LP/mm；隨著劑量增大，線對(duì)卡和有機(jī)玻璃上可分辨的細(xì)節(jié)越來(lái)越豐富；但當(dāng)拍攝條件為10.1和12.8 mAs時(shí)，分辨率沒(méi)有明顯差異；在16 mAs時(shí)，線對(duì)卡由于過(guò)量曝光幾乎沒(méi)有影像。因此，對(duì)本測(cè)試模塊，12.8 mAs是最佳曝光條件。線對(duì)卡圖像如圖5所示，可以分辨1.8 LP/mm；鋁梯下的有機(jī)玻璃如圖6所示，前2組槽比較清晰，第3組隱約可見(jiàn)2條。

4.2 全脊柱X線數(shù)字成像裝置的拍攝結(jié)果

當(dāng)拍攝條件為2.56 mAs時(shí)，線對(duì)卡可分辨0.8 LP/mm；當(dāng)拍攝條件為51.2 mAs時(shí)，線對(duì)卡接近過(guò)曝光。因此，對(duì)本測(cè)試模塊，25.6 mAs是最佳曝光條件。線對(duì)卡圖像如圖7所示，可以分辨1.6 LP/mm；鋁梯下的有機(jī)玻璃如圖8所示，前2組槽顯示不完全。另外，圖7、圖8圖像噪聲都很明顯。

圖5 CDXI平板探測(cè)器拍攝的線對(duì)卡

圖6 CDXI平板探測(cè)器拍攝的有機(jī)玻璃

圖7 全脊柱X線數(shù)字成像裝置拍攝的線對(duì)卡

圖8 全脊柱X線數(shù)字成像裝置拍攝的有機(jī)玻璃

4.3 Safire17狹縫技術(shù)的拍攝結(jié)果

在Safire17狹縫技術(shù)拍攝成人全脊柱正位的缺省條件（焦—屏距150 cm、100 kV、320 mA、8 ms）下，線對(duì)卡根本調(diào)不出來(lái)，說(shuō)明X線劑量太大。在該機(jī)器mAs最小可調(diào)至的80 mA、6.3 ms條件下，用60 kV曝光，線對(duì)卡有較好分辨率，但5階鋁梯只調(diào)出4階。經(jīng)反復(fù)改變拍攝條件組合，在焦—屏距110 cm和100 kV、80 mA、8 ms組合下得到比較理想的圖像。線對(duì)卡圖像如圖9所示，可以分辨1.2 LP/mm；鋁梯下的有機(jī)玻璃如圖10所示，前2組槽比較清晰，第3組隱約可見(jiàn)2條。需要注意的是，圖9線對(duì)卡的LP/mm處有“重影”，圖10中在幾個(gè)鋁梯的邊界也出現(xiàn)了“重影”。

圖9 Safire17拍攝的線對(duì)卡

圖10 Safire17拍攝的有機(jī)玻璃

5 結(jié)論及討論

本實(shí)驗(yàn)研制的成像裝置的長(zhǎng)增感屏需要2 mm鋁板的支撐，其他設(shè)備實(shí)驗(yàn)時(shí)也使用了此鋁板，因而線對(duì)卡的測(cè)試結(jié)果肯定低于各自設(shè)備的極限空間分辨率。

5.1 關(guān)于Safire17狹縫技術(shù)

（1）空間分辨率和X線劑量。Safire17狹縫技術(shù)最佳條件為0.64 mAs，線對(duì)卡分辨率為1.2 LP/mm，對(duì)應(yīng)佳能CDXI的DDR系統(tǒng)為12.8mAs和1.8LP/mm。島津Safire17狹縫技術(shù)拍攝全脊柱時(shí)用合并像素工作是上述差別的主要原因，靈敏度是未合并時(shí)的4倍，空間分辨率是未合并時(shí)的0.5倍。Safire17狹縫技術(shù)拍攝長(zhǎng)60 cm全脊柱的總X線劑量為0.64 mAs× 30=19.2 mAs，但佳能CDXI的DDR系統(tǒng)的X線劑量是單次Safire17狹縫技術(shù)的20倍（12.8 mAs÷ 0.64 mAs），這需要進(jìn)一步解釋或?qū)嶒?yàn)。Safire17狹縫技術(shù)廣受好評(píng)還說(shuō)明全脊柱成像并不需要很高的空間分辨率。

（2）偽影問(wèn)題。Safire17狹縫技術(shù)拍攝長(zhǎng)60 cm全脊柱需要8 s，是目前臨床應(yīng)用最快的數(shù)字成像技術(shù)，但被拍攝對(duì)象不自主移動(dòng)造成的“移動(dòng)偽影”仍然是該技術(shù)需要注意的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)靜止的測(cè)試模塊也會(huì)出現(xiàn)“重影”，這可能是該技術(shù)被忽視的一個(gè)問(wèn)題。雖然“重影”只出現(xiàn)在密度變化大而且是拼接的區(qū)域，但對(duì)臨床應(yīng)用的影響有待進(jìn)一步評(píng)估。作為一種客觀存在，提示在該技術(shù)應(yīng)用時(shí)要注意該問(wèn)題，避免它對(duì)臨床診斷和治療的影響；也提示設(shè)備提供商應(yīng)該及時(shí)解決該問(wèn)題。

5.2 關(guān)于全脊柱X線數(shù)字成像裝置

（1）X線利用率。本小組研制的全脊柱X線數(shù)字成像裝置最佳成像時(shí)的X線劑量是佳能CDXI的DDR系統(tǒng)的2倍，是單次Safire17狹縫技術(shù)的40倍，說(shuō)明本裝置需要大大提高X線利用率才具有使用價(jià)值。本裝置用佳能EOS 5D2相機(jī)成像，圖像傳感器是彩色CMOS芯片，換成黑白芯片靈敏度×3；以4個(gè)像素并成1個(gè)工作，靈敏度×4；定制大孔徑鏡頭（f/1.2）代替目前f/2.8鏡頭，靈敏度×5。僅上述3個(gè)改變可使本裝置的X線利用率變成原來(lái)的3×4×5= 60倍，超過(guò)Safire17狹縫技術(shù)的X線利用率。

（2）密度分辨率和圖像噪聲。本裝置在密度分辨率和圖像噪聲方面都比同時(shí)測(cè)試的2套DDR系統(tǒng)差很多。密度分辨率主要取決于圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。本裝置（傳感器）運(yùn)行在室溫環(huán)境，而CCD溫度每降低7℃，其溫度噪聲降低1倍[15]；本裝置圖像中有一些大而突出的噪聲，是由散射的X線引起。這些噪聲降低了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，是影響本裝置密度分辨率的最重要因素。因此，采用制冷（一般都把探測(cè)器制冷到-10℃以下）單色天文或科學(xué)級(jí)相機(jī)替代普通單反數(shù)碼相機(jī)，對(duì)裝置進(jìn)行更完善的X線屏蔽將解決成像傳感器的噪聲問(wèn)題，大幅提高裝置的密度分辨率。

綜上所述，以單反數(shù)碼相機(jī)和X線增感屏為核心的全脊柱X線數(shù)字成像裝置取得了有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果用制冷單色相機(jī)、大孔徑鏡頭等對(duì)目前裝置的有關(guān)器件升級(jí)，完善X線屏蔽等方面的設(shè)計(jì)即能研制出符合臨床診斷要求的全脊柱X線數(shù)字成像裝置。該裝置只需一次X線曝光、不用拼接，即直接得到全脊柱數(shù)字化X線圖像，避免現(xiàn)有各種拼接技術(shù)固有的拼接偽影，能確保Cobb角的測(cè)量精度。

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（收稿：2014-03-30 修回：2014-07-15）

Study on digital radiography without artifacts for whole spine

LIN Yu-feng1,LIU Bing-chuan2
（1.Department of Medical Engineering,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command, Fuzhou 350025,China;2.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025,China）

To explore a scheme of digital radiography without artifacts for whole spine in order to ensure the accuracy in Cobb angle measurement.A new digital imaging device was fabricated based on a digital single lens reflex camera (DSLR)and a long X-ray intensifying screen of 60 cm.The X-ray images of a resolution test module taken with the device and direct digital radiography (DDR)system were compared.The spatial resolution of the digital imaging device was close to that of the DDR system with the value of 1.6 LP/mm,but its contrast resolution was far lower than that of the DDR system.The digital imaging device can get a full-spine radiographic picture with only one short X-ray exposure but without any stitching process which produces artifacts,thus can ensure the accuracy in measuring Cobb angle.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：18-21，29]

radiography;whole spine;intensifying screen

R318；R445

A

1003-8868（2014）12-0018-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.018

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAF14B06）

林玉峰（1968—），男，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)學(xué)放射診療設(shè)備的維護(hù)和開(kāi)發(fā)工作，E-mail：linyufeng.ok@qq.com。

350025福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（林玉峰），醫(yī)學(xué)影像科（劉冰川）

劉冰川，E-mail：xtrans2@163.com