王艷芹，李雪英，王振光

1.青島大學(xué)附屬醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，山東 青島 266003；2.單縣中心醫(yī)院 放射防護(hù)科，山東 菏澤 274300

引言

1895年，倫琴在做真空管高壓放電實(shí)驗(yàn)中，意外地發(fā)現(xiàn)了一種不可見的、具有很強(qiáng)穿透能力的射線，他將這個(gè)性質(zhì)不明的射線叫做X射線；隨后為其夫人拍攝了手的照片，成為世界上第一張X線照片。1896年，研制出了第一支X線管[1]；從此，各種X線設(shè)備相繼出現(xiàn)，標(biāo)志著放射醫(yī)學(xué)的開始。醫(yī)用X光機(jī)已經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展歷程[2]，移動(dòng)式小C臂X光機(jī)亦經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)憑借其便攜、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢(shì)成為手術(shù)中圖像引導(dǎo)不可或缺的設(shè)備，在醫(yī)院診療過程中發(fā)揮了十分重要的作用[3]。

醫(yī)院普通X光機(jī)都是隔窗工作方式，而移動(dòng)式小C臂X光機(jī)是近臺(tái)操作，電離輻射、機(jī)械故障可能給患者及醫(yī)護(hù)人員帶來不同的傷害。隨著公共放射防護(hù)安全意識(shí)的提高，移動(dòng)式小C臂X光機(jī)的圖像質(zhì)量、劑量輻射等方面逐漸受到更多的關(guān)注。近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)式小C臂X光機(jī)在優(yōu)質(zhì)圖像、低劑量技術(shù)、人類工程學(xué)設(shè)計(jì)方面得到了較大發(fā)展[4]。

1 優(yōu)質(zhì)圖像

20世紀(jì)30年代末至40年代初，早期的小C臂沒有圖像顯示裝置，只能采用手持式的熒光透視裝置工作。隨著影像增強(qiáng)器的問世，醫(yī)用X線電視系統(tǒng)取締了以往的暗室X線透視。由于它的電視圖像亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于暗室熒光屏圖像，很快成為影像醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一種重要的圖像顯示方式。近些年來，全球幾大生產(chǎn)移動(dòng)式小C臂的公司逐步實(shí)現(xiàn)了從X射線發(fā)生、X射線檢出、圖像形成、圖像處理到圖像顯示的優(yōu)質(zhì)圖像形成系統(tǒng)。移動(dòng)式小C臂圖像質(zhì)量得到較大提升。

X光機(jī)成像質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵性的參數(shù)是清晰度，影響清晰度的因素有很多，但其中有效焦點(diǎn)的大小是影響清晰度的一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)橛行Ы裹c(diǎn)越大，投影時(shí)所產(chǎn)生的半影也越大，而影像的邊緣就愈模糊，這對(duì)疾病的診斷極為不利[5]。有效焦點(diǎn)越小，成像質(zhì)量越高；但是焦點(diǎn)越小，瞬時(shí)負(fù)載功率越小。近幾年來，用在移動(dòng)式小C臂X光機(jī)上的固定陽極的X線管焦點(diǎn)都有兩個(gè)，小焦點(diǎn)尺寸為0.5～0.6 mm，大焦點(diǎn)尺寸為1.4～1.8 mm，小焦點(diǎn)用于透視，大焦點(diǎn)用于拍片；旋轉(zhuǎn)陽極的X線管焦點(diǎn)常用的小焦點(diǎn)為0.3 mm，大焦點(diǎn)0.6 mm。旋轉(zhuǎn)陽極X射線管有效地提高了瞬時(shí)負(fù)載功率，還可適當(dāng)減少靶面傾角，使有效焦點(diǎn)進(jìn)一步減小。

影像增強(qiáng)器是射線實(shí)時(shí)成像的，把穿透人體的X射線轉(zhuǎn)換為可見光，一旦停止曝光后圖像就消失。為了進(jìn)行圖像處理，影像增強(qiáng)器需要與攝像系統(tǒng)配合，把圖像拍攝下來轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行處理。在二十世紀(jì)九十年代之前，醫(yī)用X線電視設(shè)備都是采用傳統(tǒng)的真空管式電視攝像技術(shù)；隨著電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）成像技術(shù)的問世及發(fā)展，國(guó)外各大公司，如東芝、西門子和飛利浦等都開始批量推出CCD醫(yī)用X線影像增強(qiáng)器電視設(shè)備。早期的CCD攝像機(jī)都是普通電視制式的768×576，40萬像素；現(xiàn)在用于移動(dòng)式小C臂X光機(jī)上的CCD都是百萬像素。40萬像素的C形臂分辨率只有1.4 LP/mm（Line Pair, LP），而100萬像素的C形臂分辨率至少能達(dá)到2.0 LP/mm。相比于真空攝像管，CCD攝取的圖像具有更加豐富的灰度層次，圖像保真度更高，從而獲得較高的高清晰度影像[6]。

小C臂作為醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，其圖像處理功能的強(qiáng)弱決定了圖像質(zhì)量。沒有經(jīng)過處理的透視圖像噪聲非常多，圖像質(zhì)量差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)字圖像處理就廣泛地應(yīng)用到小C形臂中。高級(jí)的圖像處理器可以實(shí)現(xiàn)智能組織識(shí)別，實(shí)時(shí)選擇最佳的亮度和對(duì)比度，實(shí)時(shí)智能實(shí)現(xiàn)邊緣增強(qiáng)、聚焦和放大[7]等功能。

移動(dòng)式小C臂X光機(jī)已經(jīng)基本淘汰顯像管監(jiān)視器，絕大部分都采用了液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）監(jiān)視器。醫(yī)用LCD監(jiān)視器分為彩色監(jiān)視器和黑白監(jiān)視器，彩色監(jiān)視器亮度比較低，一般為250 cd/m2（cd-candela），特殊設(shè)計(jì)的可以達(dá)到600 cd/m2；黑白監(jiān)視器大多都是高亮度和高對(duì)比度的，亮度可以達(dá)到700～1000 cd/m2，對(duì)比度可以達(dá)到900:1[8]。經(jīng)過臨床應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)在黑白監(jiān)視器能看到的細(xì)節(jié)在彩色監(jiān)視器上也能看到，因此醫(yī)用LCD監(jiān)視器不管是彩色的還是黑白的，都能很好的滿足臨床的需求。

近20年來，數(shù)字化成像設(shè)備取代了傳統(tǒng)的屏膠成像模式，它的核心技術(shù)是平板探測(cè)器。平板探測(cè)器是一種精密和貴重的設(shè)備，對(duì)成像質(zhì)量起著決定性的作用。主要有直接成像的非晶硒平板探測(cè)器和間接成像的非晶硅平板探測(cè)器。因受硬件設(shè)備的制約，噪聲是數(shù)字化攝影圖像的重要因素，除固有噪聲外，散射噪聲和熱噪聲等在圖像中占有很大一部分比例?；诳臻g域、頻率域和時(shí)間域的高度復(fù)合的圖像增強(qiáng)算法，同時(shí)達(dá)到對(duì)比度增強(qiáng)和細(xì)節(jié)增強(qiáng)的目的，并在增強(qiáng)的同時(shí)抑制了圖像中的噪聲，在數(shù)字化X線圖像應(yīng)用中取得了明顯的效果，有效地提高了圖像質(zhì)量[9]。

2 低劑量技術(shù)

X射線是一種電離輻射，人體長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)或間接接受超過課題限值的輻射可引起人體損害[10]，有可能提高癌癥的發(fā)病率[11]。國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)提出，X射線檢查應(yīng)該遵循實(shí)踐正當(dāng)性與防護(hù)最優(yōu)化的原則[12]，所以利用必要手段降低輻射劑量尤為重要[13]。近年來，應(yīng)用于移動(dòng)式小C臂X光機(jī)的低劑量技術(shù)有X射線球管的改進(jìn)，曝光方式，圖像采集方式的改變等，都有了較大的突破。

2.1 X射線球管的發(fā)展

離子X射線管（1895～1912年）是X射線設(shè)備的早期階段，使用效率很低的含氣式冷陰極離子X射線管，效率低，穿透力弱，缺乏防護(hù)，當(dāng)時(shí)拍攝一張X射線骨盆像，需長(zhǎng)達(dá)40～60 min的曝光時(shí)間，照片拍成以后，患者的皮膚被X射線燒傷。

隨著電磁學(xué)、高真空技術(shù)及其他學(xué)科的發(fā)展，陸續(xù)誕生了電子X射線管、雙焦點(diǎn)X射線管等，開始了X射線透視和攝影的應(yīng)用。從此，X射線管逐步向大功率、小焦點(diǎn)和專業(yè)化方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，先后出現(xiàn)了固定陽極、旋轉(zhuǎn)陽極以及各種特殊X射線管[14]。一般來說，小于5 kW的X射線管陽極采用固定陽極，大于5 kW的采用旋轉(zhuǎn)陽極。旋轉(zhuǎn)陽極X射線管，可以通過較大的管電流，而且可以縮短曝光時(shí)間，減少醫(yī)生和患者的輻射量，得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在C形臂中，大多采用一體化球管，也稱組合機(jī)頭，把球管和高壓發(fā)生器集成在一個(gè)油箱中，由于高壓發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生熱，為了提高一體化球管的長(zhǎng)時(shí)間工作能力，有部分廠家在油箱上外加了水冷循環(huán)。對(duì)于高壓發(fā)生器來說，頻率越高，高壓紋波越小，軟射線越少，也就是對(duì)患者的傷害越小。

為了消除X射線管鎢沉積層的影響，近年來生產(chǎn)了一種金屬陶瓷大功率旋轉(zhuǎn)陽極X射線管，把普通旋轉(zhuǎn)陽極X射線管的玻璃殼更換為金屬和陶瓷組合而成，金屬和陶瓷之間的過濾采用鈮，用銅焊接，消除了玻璃殼那種由于鎢沉積層所致X射線管損壞的危險(xiǎn)，可以將燈絲加熱到較高的溫度，提高了X射線管的負(fù)荷。東芝MDX-8000A多功能C形臂采用的瓦里安旋轉(zhuǎn)陽極三焦點(diǎn)金屬殼X射線管[15]，可在低管電壓條件下使用較高的管電流，增強(qiáng)射線穿透性，從而縮短患者輻射時(shí)間，減少輻射劑量。

2.2 曝光模式

移動(dòng)式小C臂X光機(jī)具有透視功能和膠片拍片功能，由于它的拍片功率比最普通的200 mA機(jī)器都小，并且隨著DR（Digital Radiography）的普及，模擬拍片已經(jīng)逐漸退出了。現(xiàn)在的移動(dòng)式小C臂在大多數(shù)醫(yī)院只是在手術(shù)室做透視用。

小C臂的常見曝光模式有連續(xù)透視、自動(dòng)曝光控制和脈沖透視。連續(xù)透視模式延續(xù)了傳統(tǒng)的X射線成像的原理，診斷過程中連續(xù)的X射線照射，使得作為敏感器件的影像增強(qiáng)器能夠及時(shí)或動(dòng)態(tài)地連續(xù)反映被照物體的變化和移動(dòng)，同時(shí)，醫(yī)患人員承受的輻射劑量相應(yīng)較大[16]。

自動(dòng)曝光模式是有一個(gè)缺省的kV、mA，機(jī)器會(huì)自動(dòng)根據(jù)采集到的圖像亮度和預(yù)置的亮度作比較，經(jīng)過運(yùn)算控制后實(shí)時(shí)輸出新的kV、mA調(diào)節(jié)，反復(fù)多次后使圖像亮度達(dá)到預(yù)設(shè)亮度后kV、mA不再變化，保持恒定輸出。在這個(gè)調(diào)節(jié)過程中的X射線對(duì)患者是沒有多大用途的，增加了患者和醫(yī)護(hù)人員的輻射傷害。

現(xiàn)在的移動(dòng)式小C臂X光機(jī)大多采用脈沖透視。傳統(tǒng)意義上的脈沖透視是通過控制X射線發(fā)生器間斷地工作，在射線發(fā)生期間使顯示圖像持續(xù)刷新，間斷期間利用影像增強(qiáng)器內(nèi)部的視頻圖像系統(tǒng)保持和傳送X射線間歇之前的最后一幀采集圖像，從而獲得較低的平均輻射劑量[17]。近年來，實(shí)現(xiàn)X射線脈沖透視的方法有多種。其中數(shù)字脈沖透視技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，它是利用X射線管柵控技術(shù)形成具有幾檔脈沖率的數(shù)字化的脈沖透視。

相比于連續(xù)透視，脈沖透視的劑量可以大幅度降低[18]，GE公司生產(chǎn)的Brivo OEC 850做過對(duì)比，每秒脈沖數(shù)（Pulses Per Second，1 PPS）相當(dāng)于1 s內(nèi)有50 ms在曝光，1 PPS可降低95%的劑量，2 PPS可降低90%的劑量，4 PPS可降低80%的劑量，8 PPS可降低60%的劑量，并且國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局有評(píng)估報(bào)告稱，OEC 850最低輻射劑量率達(dá)到0.067 μGy/s，相比于普通透視模式下國(guó)標(biāo)的要求0.88 μGy/s降低了很多。在脈沖透視的臨床應(yīng)用中，選擇的脈沖率越低，曝光劑量越小，醫(yī)患人員受輻射的劑量越少，但是影像連續(xù)性越差，偽影越重，不利于手術(shù)操作者觀察器官或結(jié)構(gòu)的影像，不同部位選擇不同的脈沖率，做到降低輻射劑量與保證影像質(zhì)量的統(tǒng)一。

2.3 圖像采集方式

在X射線成像系統(tǒng)中，作為核心部件的影像增強(qiáng)器是在1948年研制，并于20世紀(jì)50年代問世。影像增強(qiáng)器是將不可見的X射線圖像轉(zhuǎn)換為可見光圖像，并使圖像亮度增強(qiáng)?；赬射線影像增強(qiáng)器而建立起來的醫(yī)療電視系統(tǒng)，大大降低了患者在診斷時(shí)所受的X射線輻射劑量[14]，所用的X射線劑量?jī)H是直接攝影的1/10，為熒光板透視的1/50。

數(shù)字化X射線攝影，是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的X線攝影新技術(shù)，以其更快的的成像速度和更高的對(duì)比度分辨率等顯著特點(diǎn)，成為X射線攝影技術(shù)的主導(dǎo)方向。數(shù)字平板移動(dòng)式小C臂如：GE公司的OEC Miniview，西門子的Arcadis orbic 3D和奇目的Vision FD Vario 3D等都配置了全數(shù)字化平板探測(cè)器，相比于影像增強(qiáng)器，帶人體信號(hào)的X射線直接作用于平板探測(cè)器，避免了信號(hào)轉(zhuǎn)換中的損失，提高了X射線的利用率，成像速度大幅度提高[2]，獲得所需圖像信息的時(shí)間只需30～60 s，輻射劑量和輻射時(shí)間也隨之降低。還有部分移動(dòng)式小C臂X光機(jī)安裝有智能軟件，比如：智能曝光管理，就是在衡量患者劑量和圖像質(zhì)量上找到一種最佳的透視模式，在1 s內(nèi)自動(dòng)調(diào)整劑量，降低不必要的患者輻射劑量。此外，還有放射劑量的自動(dòng)顯示技術(shù)，尾幀圖像自動(dòng)存儲(chǔ)功能等。

3 人類工程學(xué)設(shè)計(jì)

C形臂，因其外形類似于英文字母C，故被稱為C形臂。移動(dòng)式小C臂X光機(jī)是近臺(tái)操作，工作過程對(duì)患者和醫(yī)護(hù)人員易造成機(jī)械傷害。在20世紀(jì)60年代，為了適應(yīng)各種不同的X線特殊檢查而設(shè)計(jì)出C形管頭支持裝置，它的結(jié)構(gòu)主要由支架、L臂（橫臂）、C臂3部分組成。以支架結(jié)構(gòu)不同，C臂有落地式和懸吊式之分。移動(dòng)式小C臂多為落地式[19]。

小C臂機(jī)架比較重，運(yùn)動(dòng)較多，在支架上L臂（橫臂）帶動(dòng)C臂繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在L臂（橫臂）的軌道上C臂可沿自身弧度繞虛擬球心轉(zhuǎn)動(dòng)。要體現(xiàn)它的靈活性和適應(yīng)性，對(duì)其材料的要求比較高，具有材料輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕，耐磨性好等特點(diǎn)，目前市場(chǎng)上大多運(yùn)用鋁合金，以6063居多[20]。2016年9月，GE OEC Elite Miniview面世，它的機(jī)械臂的設(shè)計(jì)靈感來源于航天飛機(jī)的太空臂，由復(fù)合碳纖維材料制成，在保證機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，更兼顧了輕便靈活的特性。在它的機(jī)械臂上有5個(gè)軸，可以擺成任何想要的形態(tài)，可以折疊收起的C形臂，能為手術(shù)室節(jié)省70%的空間。近幾年來，一體機(jī)的出現(xiàn)，就更體現(xiàn)了移動(dòng)式小C臂的小巧便攜，靈活性好，精度高，速度快，掃描范圍廣等特點(diǎn)[21]。GE公司生產(chǎn)的Fluorostar compact的和德國(guó)奇目Ziehm solo這兩款一體機(jī)設(shè)備，發(fā)揮較大效能的是符合人類工程學(xué)的把手和剎車的制造工藝，另外還有精確的定位功能，C形臂的軌道和顱尾的旋轉(zhuǎn)是由精確的摩擦力來控制平衡的，不需要頻繁的啟鎖和解鎖。

為了預(yù)防影像增強(qiáng)器壓住患者，部分小C臂機(jī)的軟件具有防碰撞功能，能自動(dòng)計(jì)算某些部件有可能發(fā)生碰撞，自動(dòng)預(yù)警；利用傳感器感受周圍物體的距離，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)將C形臂的運(yùn)動(dòng)速度降低或停止，并且在機(jī)架顯示器上有報(bào)警閃爍提示[22]，更大程度上保證了患者的安全。

4 結(jié)束語

移動(dòng)式小C臂X光機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，為臨床醫(yī)學(xué)實(shí)踐帶來了極大地好處，比如在泌尿外科手術(shù)中結(jié)石的尋找[23]、骨科手術(shù)中的廣泛應(yīng)用[24]等，減少了手術(shù)時(shí)間，提高了定位精確度，優(yōu)化手術(shù)細(xì)節(jié)。但是對(duì)于經(jīng)常需要進(jìn)行正位和側(cè)位的脊柱手術(shù)，移動(dòng)式小C臂X光機(jī)就不能同時(shí)成像正位和側(cè)位圖像，需要更多的重新定位的時(shí)間。G形臂的出現(xiàn)，開創(chuàng)了手術(shù)實(shí)時(shí)定位的新紀(jì)元，但是G形臂的靈活性不如小C臂，只能沿著床的方向橫向移動(dòng)?，F(xiàn)有移動(dòng)式小C臂X光機(jī)都是二維影像，其影像都是多組織的重疊，圖像易出現(xiàn)干擾。現(xiàn)在錐形束平板接收器的CT技術(shù)逐漸成熟，它是一種三維成像技術(shù)，具有放射劑量小、分辨率高、掃描時(shí)間短、精確度高的優(yōu)點(diǎn)[25]。當(dāng)球管和平板接收器在C形軌道上繞患者均勻旋轉(zhuǎn)連續(xù)拍攝X光圖像，形成連續(xù)的三維斷層圖像，其優(yōu)勢(shì)是二維C臂不可比擬的，這將是移動(dòng)式小C臂X光機(jī)的一大進(jìn)步。希望未來在優(yōu)化移動(dòng)式小C臂X光機(jī)掃描參數(shù)、發(fā)展影像迭代重建技術(shù)和新型屏蔽材料等方面探索出更多的造福于人類的方法[26]。

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