数字射线摄影受检者接受剂量对图像质量的影响

何子福,男,(1979- ),硕士，主管技师。第四军医大学西京医院放射科，从事放射技术工作。 国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection，ICRP)93号出版物认为，重视数字X射线摄影(digit radiography，DR)受检者的辐射防护，DR最终的图像质量是由图像后处理决定，曝光量的高低决定的是影像的噪声水平。噪声与剂量的平方根成反比关系，即过多的使用曝光剂量只能在有限的范围内降低噪声水平[1-3]。因此，在数字摄影中控制噪声水平是首要问题，而过分追求低剂量降低曝光剂量，结果会导致噪声增加，降低图像质量，从而影响诊断结果；或者为了获取高质量的影像图像，过高的增加曝光剂量，其结果增加了辐射剂量，以上两种方式均不可取。X射线在人体中能够诱导非靶效应、旁效应[4]、远隔效应[5-9]以及基因组不稳定效应[10-11]。在DR中充分发挥数字摄影的优势，使图像质量与辐射剂量在摄影中平衡。 1 优化DR条件的参数选取 1.1 仪器设备 试验中选用DRX-Ascend型DR(锐柯Carestream)；该设备选用曝光指数(exposure index，EI)值作为反馈值，EI值反映探测器感光量的多少，间接反映了影像质量和患者所受到的辐射剂量，EI具有可重复性，可表征影像噪声水平，在相同的摄影条件下可以认为在选取不同的摄影部位下EI值高的部位，探测器吸收到的剂量值多于EI值低的部位[12]。 1.2 DR参数 进入数字摄影技术后，针对曝光参数在不借助影像学的情况下曝光剂量过度会导致图像“发黑、而曝光剂量不足则导致图像“发白”的现象进行判定，借助于数字摄影的反馈值在不同的设备中其表示各不相同，试验中选取相同的管电压为60 kV，相同的管电流量(10 mAs)，对相同的被摄物体，具有不同的摄影体位记录EI值的变化；膝关节摄影EI值最高为2396，小儿胸部EI值最低为2189，在后续试验中选取膝关节为摄影条件(见表1)。 表1 相同曝光参数下不同摄影部位的EI值 2 入射体表剂量与出射体表剂量计算方法 2.1 入射体表剂量计算 (1)欧盟指导建议书[13]中指出，可以通过两种方式获取入射体表剂量：①应用热释光剂量计(thermo luminescent dosimeters，TLD)；②通过测量X射线球管曝光系数在电离室的值；试验中选用后种方法进行研究，试验模型如图1所示。 图1 X 射线穿透有机玻璃示意图 (2)受检者接受到的辐射剂量等于入射体表剂量(entrance surface dose，ESD)与出射体表剂量的差值[14]。ESD水平的计算为公式1： 式中DAP为剂量面积乘积；W为宽；H为高；FDD为焦屏距；FSD为焦皮距；BSF为散射系数。 (3)应用剂量面积仪测量准直器出口剂量，试验过程中将剂量面积仪固定在准直器的正下方，测量光源到探测器距离和受检物表面的距离，可根据公式(1)计算出ESD；根据ESD值与剂量仪检测进行验证，验证计算结果是否对选定的设备适用。 (4)试验中选用60 kV、70 kV、80 kV、90 kV、100 kV、110 kV和120 kV不同条件的管电压下进行测试，实验中光源到达有机玻璃表面的距离为85 cm；光源至探测器的距离为100 cm；照射野为22 cm×22 cm；散射系数为1.35。测试过程中应用Dosegurad100型剂量面积仪进行测量，将型号为电离室安装在准直器出口下方，曝光结束后读取剂量面积仪的读数，按下剂量面积仪的复位按钮，等待复位到初始状态后调整设备的曝光参数重新曝光；重复以上步骤等待剂量面积仪检测完毕后直接将PMX-Ⅲ剂量仪固态传感器水平放置与有机玻璃上表面，设置曝光参数，参数的设置值与剂量面积仪的首次曝光参数相同，并对剂量值进行记录，等待DR球管完全冷却后进行第二次曝光，曝光参数与第二次剂量面积仪曝光参数相同，重复以上步骤直至完成所有的曝光参数，试验完成后能够得到表面入射剂量(见表2)。 表2 表面入射剂量表 2.2 出射体表剂量计算 (1)出射剂量的计算为公式2[15]： 出射剂量经过误差修正后能够得到公式3[15]： 式中表示探测器接受的能量与探测器表面空气比释动能的变化，表示诊查床表面的剂量与探测器表面剂量的变化；试验完成后能够得到的试验数据(见表3)。 通过对数据进行处理能够得到公式4： 式中μ(U)表示在不同管电压下X射线穿透诊查床与滤线栅的变化情况(见表4)。 表3 不同管电压测量值与计算值序号管电压(kV)测量剂量计算值修正系数. . . . . . . 表4 不同管电压下比例系数序号管电压(kV)探测器表面剂量床面剂量比例系数. . . . . . .7 (2)通过表4中不同管电压下比例系数可得到的值；根据公式(4)可通过反馈的EI值计算出人体的X射线剂量；应用剂量面积仪能够测得ESD，通过计算可获得在每次不同照射剂量下人体的吸收剂量＝ESDXSD，并能够获得一次曝光患者体内所接受到的剂量。 (3)实验中选用2～3个月大的小猪为研究对象，通过查阅资料1～3岁儿童的腰围和臀围的计算方法为：腰围＝身高×0.43、臀围＝身高×0.542男性1～3岁、身高为73.4～94 cm儿童的标准，通过标准转换公式可以获得男性标准臀围为39.78～50.95 cm，本研究中选择的实验小猪臀围为46 cm，相当于2岁多的儿童，实验动物以骨骼的发育作为对比条件。 (4)实验中采用DR设备为DRX-Ascend型DR，使用前应用剂量仪对设备参数进行检测，照射野22 cm×22 cm，焦屏距为100 cm。将实验动物水平放置与检查床上，选取摄影条件为膝关节部位摄影，摄影部位为小猪髋关节，将小猪的髋关节放置于照射野中心位置，对小猪使用麻药后将其固定在诊查床上，固定的方式为平躺式，将腿部拉直无打弯状存在。由于对小猪麻醉未进行深度麻醉，因此在曝光过程中小猪会出现抽搐现象，每次试验时间不易过长，若使用剂量过大可能会造成肾衰竭。实验中两次曝光的时间大于球管的冷却时间，保证上次摄影对于本次摄影结果不产生任何影响。若两次曝光时间间隔过小，会由于前次曝光后球管未完全冷却导致第二次曝光剂量偏大的现象，选用管电压自高而低的顺序向下调整，管电流从高向低的顺序进行曝光；曝光过程中固定管电压，调整管电流，降低管电压后重新固定，管电流从高到低逐次降低，观察DR的返回值EI值的两次变化：①首次曝光后会伴随DR成像图像一起显示的初始EI值；②经过图像处理后的EI值，实验中需获取的原始图像信息，因此选用初始EI值作为记录对象进行记录。 3 结果 3.1 各种条件下的入射体表剂量 通过计算剂量面积仪在60 kV时到达探测器的剂量是0.5602和测量值0.5397，误差为3.8﹪；70 kV时计算值为0.7079、实测值为0.6829，误差为3.6﹪；同理，80 kV时计算值为0.8903，实测值为0.8524，误差为4.4﹪；90 kV时计算值为1.0641，实测值为1.0360，误差为0.27﹪；100 kV时计算值为1.2447，实测值为1.2505，误差为0.46﹪；110 kV时计算值为1.4195，实测值为1.4535，误差为2.3﹪；120 kV时计算值为1.5986，实测值为1.6625，误差为3.8﹪(见表5)。 表5 各种条件下的入射体表剂量管电压(kV)计算值实测值误差(﹪)600...8 700...6 800...4 1001...46 1101...30 1201...80 表5显示，应用剂量面积仪能够在误差最大为80 kV时误差为4.4﹪，最小误差在90 kV时误差为0.27﹪，试验过程中由于剂量面积仪安装与传感器放置位置都会引入误差，其计算结果最大误差为4.4﹪，因此可以选用该计算方法计算入射体表剂量。 3.2 优化剂量前后的图像对比 试验中选用的管电压，管电流的初值来源于成人照射髋关节时设备的设定值与经验丰富的临床技师的经验值，在试验过程中发现当初始EI值＜1800时，首次成像图像噪点比较多，经过图像后处理算法后，图像的清晰度提高，图像表面噪点消失。选取3岁的双侧髋关节发育不良的女患儿，其摄影图像为未优化剂量图像及优化剂量后的图像，如图2所示。 图2 女患儿优化剂量前后对比图 应用确定的摄影参数对受检患儿进行摄影，选取膝关节的摄影条件，根据动物实验选取管电压为60 kV,管电流量为8 mAs的设定参数进行摄影，对摄影后的图像由科室两名主管技师及两名副主任医师阅片观察，经观察优化剂量后的图像能够满足临床诊断的需求。选取3岁双侧髋关节发育不良男患儿，其摄影图像为未优化剂量图像及优化剂量后的图像，如图3所示。 图3 男患儿优化剂量前后对比图 4 结论 本研究的最终目的是在不影响图像质量的前提下获取最优的剂量，因此选取的条件为首次成像未加图像处理算法前的成像无噪点、清晰度高的图像成像条件；本研究最终选取的最优成像条件的摄影部位为膝关节，曝光剂量参数的选取管电压为60 kV时的EI值＞1800作为摄影条件，对于某些肥胖儿童防止过低的追求剂量而影响最终的成像质量。在确保能够满足临床诊断的前提下适度降低剂量，针对不同受检者确定其具体摄影部位后，在条件允许的情况下尽量采用低剂量成像。 何子福,男,(1979- ),硕士，主管技师。第四军医大学西京医院放射科，从事放射技术工作。 国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection，ICRP)93号出版物认为，重视数字X射线摄影(digit radiography，DR)受检者的辐射防护，DR最终的图像质量是由图像后处理决定，曝光量的高低决定的是影像的噪声水平。噪声与剂量的平方根成反比关系，即过多的使用曝光剂量只能在有限的范围内降低噪声水平[1-3]。因此，在数字摄影中控制噪声水平是首要问题，而过分追求低剂量降低曝光剂量，结果会导致噪声增加，降低图像质量，从而影响诊断结果；或者为了获取高质量的影像图像，过高的增加曝光剂量，其结果增加了辐射剂量，以上两种方式均不可取。X射线在人体中能够诱导非靶效应、旁效应[4]、远隔效应[5-9]以及基因组不稳定效应[10-11]。在DR中充分发挥数字摄影的优势，使图像质量与辐射剂量在摄影中平衡。 1 优化DR条件的参数选取 1.1 仪器设备 试验中选用DRX-Ascend型DR(锐柯Carestream)；该设备选用曝光指数(exposure index，EI)值作为反馈值，EI值反映探测器感光量的多少，间接反映了影像质量和患者所受到的辐射剂量，EI具有可重复性，可表征影像噪声水平，在相同的摄影条件下可以认为在选取不同的摄影部位下EI值高的部位，探测器吸收到的剂量值多于EI值低的部位[12]。 1.2 DR参数 进入数字摄影技术后，针对曝光参数在不借助影像学的情况下曝光剂量过度会导致图像“发黑、而曝光剂量不足则导致图像“发白”的现象进行判定，借助于数字摄影的反馈值在不同的设备中其表示各不相同，试验中选取相同的管电压为60 kV，相同的管电流量(10 mAs)，对相同的被摄物体，具有不同的摄影体位记录EI值的变化；膝关节摄影EI值最高为2396，小儿胸部EI值最低为2189，在后续试验中选取膝关节为摄影条件(见表1)。 表1 相同曝光参数下不同摄影部位的EI值 2 入射体表剂量与出射体表剂量计算方法 2.1 入射体表剂量计算 (1)欧盟指导建议书[13]中指出，可以通过两种方式获取入射体表剂量：①应用热释光剂量计(thermo luminescent dosimeters，TLD)；②通过测量X射线球管曝光系数在电离室的值；试验中选用后种方法进行研究，试验模型如图1所示。 图1 X 射线穿透有机玻璃示意图 (2)受检者接受到的辐射剂量等于入射体表剂量(entrance surface dose，ESD)与出射体表剂量的差值[14]。ESD水平的计算为公式1： 式中DAP为剂量面积乘积；W为宽；H为高；FDD为焦屏距；FSD为焦皮距；BSF为散射系数。 (3)应用剂量面积仪测量准直器出口剂量，试验过程中将剂量面积仪固定在准直器的正下方，测量光源到探测器距离和受检物表面的距离，可根据公式(1)计算出ESD；根据ESD值与剂量仪检测进行验证，验证计算结果是否对选定的设备适用。 (4)试验中选用60 kV、70 kV、80 kV、90 kV、100 kV、110 kV和120 kV不同条件的管电压下进行测试，实验中光源到达有机玻璃表面的距离为85 cm；光源至探测器的距离为100 cm；照射野为22 cm×22 cm；散射系数为1.35。测试过程中应用Dosegurad100型剂量面积仪进行测量，将型号为电离室安装在准直器出口下方，曝光结束后读取剂量面积仪的读数，按下剂量面积仪的复位按钮，等待复位到初始状态后调整设备的曝光参数重新曝光；重复以上步骤等待剂量面积仪检测完毕后直接将PMX-Ⅲ剂量仪固态传感器水平放置与有机玻璃上表面，设置曝光参数，参数的设置值与剂量面积仪的首次曝光参数相同，并对剂量值进行记录，等待DR球管完全冷却后进行第二次曝光，曝光参数与第二次剂量面积仪曝光参数相同，重复以上步骤直至完成所有的曝光参数，试验完成后能够得到表面入射剂量(见表2)。 表2 表面入射剂量表 2.2 出射体表剂量计算 (1)出射剂量的计算为公式2[15]： 出射剂量经过误差修正后能够得到公式3[15]： 式中表示探测器接受的能量与探测器表面空气比释动能的变化，表示诊查床表面的剂量与探测器表面剂量的变化；试验完成后能够得到的试验数据(见表3)。 通过对数据进行处理能够得到公式4： 式中μ(U)表示在不同管电压下X射线穿透诊查床与滤线栅的变化情况(见表4)。 表3 不同管电压测量值与计算值序号管电压(kV)测量剂量计算值修正系数. . . . . . . 表4 不同管电压下比例系数序号管电压(kV)探测器表面剂量床面剂量比例系数. . . . . . .7 (2)通过表4中不同管电压下比例系数可得到的值；根据公式(4)可通过反馈的EI值计算出人体的X射线剂量；应用剂量面积仪能够测得ESD，通过计算可获得在每次不同照射剂量下人体的吸收剂量＝ESDXSD，并能够获得一次曝光患者体内所接受到的剂量。 (3)实验中选用2～3个月大的小猪为研究对象，通过查阅资料1～3岁儿童的腰围和臀围的计算方法为：腰围＝身高×0.43、臀围＝身高×0.542男性1～3岁、身高为73.4～94 cm儿童的标准，通过标准转换公式可以获得男性标准臀围为39.78～50.95 cm，本研究中选择的实验小猪臀围为46 cm，相当于2岁多的儿童，实验动物以骨骼的发育作为对比条件。 (4)实验中采用DR设备为DRX-Ascend型DR，使用前应用剂量仪对设备参数进行检测，照射野22 cm×22 cm，焦屏距为100 cm。将实验动物水平放置与检查床上，选取摄影条件为膝关节部位摄影，摄影部位为小猪髋关节，将小猪的髋关节放置于照射野中心位置，对小猪使用麻药后将其固定在诊查床上，固定的方式为平躺式，将腿部拉直无打弯状存在。由于对小猪麻醉未进行深度麻醉，因此在曝光过程中小猪会出现抽搐现象，每次试验时间不易过长，若使用剂量过大可能会造成肾衰竭。实验中两次曝光的时间大于球管的冷却时间，保证上次摄影对于本次摄影结果不产生任何影响。若两次曝光时间间隔过小，会由于前次曝光后球管未完全冷却导致第二次曝光剂量偏大的现象，选用管电压自高而低的顺序向下调整，管电流从高向低的顺序进行曝光；曝光过程中固定管电压，调整管电流，降低管电压后重新固定，管电流从高到低逐次降低，观察DR的返回值EI值的两次变化：①首次曝光后会伴随DR成像图像一起显示的初始EI值；②经过图像处理后的EI值，实验中需获取的原始图像信息，因此选用初始EI值作为记录对象进行记录。 3 结果 3.1 各种条件下的入射体表剂量 通过计算剂量面积仪在60 kV时到达探测器的剂量是0.5602和测量值0.5397，误差为3.8﹪；70 kV时计算值为0.7079、实测值为0.6829，误差为3.6﹪；同理，80 kV时计算值为0.8903，实测值为0.8524，误差为4.4﹪；90 kV时计算值为1.0641，实测值为1.0360，误差为0.27﹪；100 kV时计算值为1.2447，实测值为1.2505，误差为0.46﹪；110 kV时计算值为1.4195，实测值为1.4535，误差为2.3﹪；120 kV时计算值为1.5986，实测值为1.6625，误差为3.8﹪(见表5)。 表5 各种条件下的入射体表剂量管电压(kV)计算值实测值误差(﹪)600...8 700...6 800...4 1001...46 1101...30 1201...80 表5显示，应用剂量面积仪能够在误差最大为80 kV时误差为4.4﹪，最小误差在90 kV时误差为0.27﹪，试验过程中由于剂量面积仪安装与传感器放置位置都会引入误差，其计算结果最大误差为4.4﹪，因此可以选用该计算方法计算入射体表剂量。 3.2 优化剂量前后的图像对比 试验中选用的管电压，管电流的初值来源于成人照射髋关节时设备的设定值与经验丰富的临床技师的经验值，在试验过程中发现当初始EI值＜1800时，首次成像图像噪点比较多，经过图像后处理算法后，图像的清晰度提高，图像表面噪点消失。选取3岁的双侧髋关节发育不良的女患儿，其摄影图像为未优化剂量图像及优化剂量后的图像，如图2所示。 图2 女患儿优化剂量前后对比图 应用确定的摄影参数对受检患儿进行摄影，选取膝关节的摄影条件，根据动物实验选取管电压为60 kV,管电流量为8 mAs的设定参数进行摄影，对摄影后的图像由科室两名主管技师及两名副主任医师阅片观察，经观察优化剂量后的图像能够满足临床诊断的需求。选取3岁双侧髋关节发育不良男患儿，其摄影图像为未优化剂量图像及优化剂量后的图像，如图3所示。 图3 男患儿优化剂量前后对比图 4 结论 本研究的最终目的是在不影响图像质量的前提下获取最优的剂量，因此选取的条件为首次成像未加图像处理算法前的成像无噪点、清晰度高的图像成像条件；本研究最终选取的最优成像条件的摄影部位为膝关节，曝光剂量参数的选取管电压为60 kV时的EI值＞1800作为摄影条件，对于某些肥胖儿童防止过低的追求剂量而影响最终的成像质量。在确保能够满足临床诊断的前提下适度降低剂量，针对不同受检者确定其具体摄影部位后，在条件允许的情况下尽量采用低剂量成像。

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