全脊柱无伪影X线数字摄影研究

林玉峰，刘冰川

全脊柱无伪影X线数字摄影研究

林玉峰，刘冰川

目的：探讨一种获取无伪影全脊柱X线数字化图像的方案，以确保Cobb角的测量精度。方法：搭建一个以长60 cm的X线增感屏和单反数码相机为基础的新的数字成像装置，用该装置和直接数字化放射摄影（direct digital radiography，DDR）系统分别拍摄分辨率测试卡的X线图像并比较。结果：新装置的空间分辨率为1.6 LP/mm，接近DDR系统的空间分辨率，但其对比度分辨率明显低于DDR系统。结论：该数字成像装置只需一次X线曝光、不用图像拼接就直接得到全脊柱数字化X线图像，避免了伪影的产生，可保证Cobb角的测量精度。

X线摄影；全脊柱；增感屏

0 引言

Cobb角是脊柱侧弯畸形矫正手术方案制订、术后评估等脊柱外科重要的测量参数。不失真的全脊柱图像是保证Cobb角测量精度的重要前提。X线摄影是最常用也最有效的获得全脊柱图像的检查技术，要求X线胶片的长度为60 cm[1]，而常规X线摄影拍摄介质如胶片、CR使用的影像板（image plate，IP）和DDR使用的平板探测器（flat detector，FD）的最大边长都只有43 cm，不能一次性拍摄到全脊柱X线图像。为了拍摄全脊柱或全下肢X线图像，人们对多种方法进行了探索。

1 现有技术问题分析

1.1 特制屏—片组合体系基本没有得到推广应用

张新华等[1]使用特制的长胶片（61.0cm×30.5cm），一次X线曝光就可得到全脊柱X线图像，但这种方案采用的是特制胶片的模拟技术，很难推广应用。

1.2 多焦点、多次曝光加图像拼接成像问题较多

多焦点、多次曝光加图像拼接成像如图1所示。

图1 不同焦点下一物多像

还有许多使用数字多功能X线机、数字减影血管造影机（digital subtraction angiography，DSA）进行全脊柱X线摄影的尝试，这些基本上是多焦点、多次曝光加图像拼接成像，除了图像拼接误差的问题外，患者受到的X线辐射大、不同焦点成的像在不同位置是这些方法的主要不足。图1说明，球管和探测器相对固定，同步移动拍摄，P点在2次拍摄时的像分别是P1和P2，显然不一致。

1.3 单焦点成像应用广泛，固有问题难克服

单焦点有单次曝光成像（如CR技术）和多次曝光成像（DDR技术）之分，理论上物和像是一一对应的（如图2所示）。史建静等[2]使用爱克发（AGFA）公司全下肢和全脊柱软件及摄片架，可一次曝光拍摄全下肢或全脊柱X线图像；赵廷强等[3]用DDR设备，单焦点投照技术，2次曝光采集全脊柱2幅图像，3次曝光采集全下肢的3幅图像；专利[4]也介绍了类似赵廷强等的方法拍摄全脊柱和全下肢数字X线图像。上述2类方法都是单焦点曝光成像，优势明显，理论上可以完全避免由于多焦点成像的不一致所引起的图像拼接困难、图像伪影等问题，但实际效果并不理想。

图2 单焦点下物和像一一对应

如史建静等使用的CR技术，由于IP板在暗盒内有一定的活动空间，导致IP板在曝光时的位置就可能不一致；另外，受CR扫描仪机械精度的限制，IP板扫描的起始位置也可能不一致。这些不一致都可能使图像拼接困难引起拼接伪影，甚至使摄影失败。对于赵廷强等使用的DDR技术，要求患者在2次曝光时的体位保持一致，这很难做到。由于DDR探测器在不同位置曝光时患者的体位不一致，轻则形成图像伪影，严重时摄影失败。

1.4 狭缝技术（slot）偶尔会失败，且存在其他问题

狭缝技术（slot）是一种较新[5-6]基于DDR技术的多焦点、多幅图像拼接，目前用于拍摄全脊柱X线图像最快的技术。在HQ（high quality）模式下，拍摄长60 cm脊柱图像需要8 s（脉冲曝光30次，从第1到第30次X线曝光的时间），这也是该技术偶尔会失败的主要原因（患者难以长时间保持体位不变）。还有一个潜在的可能很严重的问题，在30次曝光中，如果所有相邻2次曝光时患者的体位变化都较小，并不影响图像拼接，但这些误差的累积可能使Cobb角的测量值与实际严重不符，操作者却全然不知。另外，拍摄上述长度全脊柱需要30次曝光，狭缝长度6 cm，有效长仅2 cm，增加了患者的辐射量。30次曝光（320 mA、8 ms×30）才得到1幅X线图像，从球管损耗和X线利用率考虑，很不合理。

2 研究的依据

2.1 合适曝光的X线增感屏蕴涵丰富信息

由各种X线增感屏和X线胶片组成的屏—片体系应用于X线摄影历史悠久且非常成功。多数人认为CR和DDR既能提供比屏—片组合更高的图像质量，又可降低患者的X线辐射剂量。

但王健等[7]用实验数据说明，在同样摄影条件下，CR系统影像上信息量明显小于中速屏—片系统；张梦龙等[8]指出，相同摄影条件下CR系统照片的噪声要比某中速屏—片组合大；K Ono等[9]通过比较CR、DDR、屏—片组合体系等对肺腺癌检测认为，CR和DDR并不一定优于屏—片组合体系，A S Laney等[10]也有类似的结论；范志刚[11]用实验得出结论：CR的曝光剂量和剂量当量均比感绿增感屏—片高约2～3倍mAs、2～3倍mSv；石冬等[12]撰文指出，要获取近似相同的优质片，DDR摄片条件（kV/mAs）高于屏—片系统摄片，相对增加了患者的受照剂量。

比较一致的看法是，合适曝光、正确冲洗的屏—片组合体系产生的X线胶片有令人满意的图像质量。因为屏—片体系胶片图像的有效信息有超过90%来自X线增感屏上荧光的贡献，X线增感屏上的信息量比X线胶片所反映出的信息量大，所以说合适曝光的X线增感屏蕴涵足够丰富的信息，提示可以通过直接将X线增感屏的信息数字化以构建数字X线成像设备。

2.2 基于CCD的数字X线摄影技术成熟

很多国际著名公司推出的以CCD为核心的数字X线摄影设备都使用碘化铯（CsI）荧光屏[13]把X线信号转变成可见光。而在平板探测器中，也有碘化铯或硫氧化钆2种类型的X线转换物质，由它们构成的数字X线摄影系统适宜曝光量为1∶2[14]，说明硫氧化钆的X线转换效率低一些，但仍然是多家国际公司采用的主流成熟技术。

基于以上2点可以推测，CCD（或类似技术）和由多块硫氧化钆增感屏拼接成的长X线增感屏可以用来构造拍摄全脊柱的数字X线摄影设备。

3 实验材料和方法

3.1 全脊柱X线数字成像装置

主要包括佳能EOS 5D-2数码相机、尼康AF Micro-Nikkor 60 mm f/2.8D镜头、长X线增感屏和箱体（固定支架）等。尼康镜头通过转接环连接到佳能数码相机上；长X线增感屏由3块203 mm×254 mm高速稀土绿光增感屏（玉环县福民医疗器械有限公司）拼接而成，X线有效转换范围为600 mm×230 mm；数码相机和增感屏等都固定在箱体上，相机传感器与增感屏距离为1 100 mm，数码相机拍摄图像的长度为617 mm，曝光时间设定为4 s，感光度为ISO400。

3.2 测试模块

使用如图3所示的测试模块测量并比较全脊柱数字X线摄影装置的成像效果。图3中，在2 mm的铝板上设置有线对卡、有机玻璃和铝梯。线对卡用来测量空间分辨率，其最高分辨率为2.0 LP/mm；铝梯由5块厚度为6.18 mm的铝板组成，置于厚度7.8 mm的有机玻璃上，用来测试密度分辨率。有机玻璃上加工了3组槽（①、②、③组，剖面如图4所示）：①组的深度是4.0 mm；②组的深度是1.6 mm；③组的深度是0.7 mm。每组都有相同的A、B、C 3种结构：A为宽1.0 mm槽，中间间隔1.0 mm；B为宽2.0 mm槽，中间间隔2.0 mm；C为宽4.0 mm槽。

图4 有机玻璃剖面结构

3.3 实验步骤

（1）用GE公司SilhouetteVR摄片机通过佳能公司的CDXI平板探测器和全脊柱X线数字摄影装置分别拍摄测试模块。X线曝光条件：焦—屏距100cm，小焦点，管电压100 kV，管电流固定160 mA。自测试模块中的线对卡刚能分辨时的曝光剂量（mAs）开始，逐级增加mAs拍摄多幅图像。

（2）用岛津公司SONIALVITION Safire17多功能数字平板X线摄影系统的狭缝技术拍摄测试模块。焦—屏距110 cm（该机器焦—屏距固定分挡），以测试模块中的线对卡不会过曝光为准，用多级不同mAs拍摄多幅图像，便于与前一实验对比。

4 结果

4.1 CDXI平板探测器的拍摄结果

当拍摄条件为2 mAs时，图像噪声很大，线对卡勉强可分辨0.8 LP/mm；随着剂量增大，线对卡和有机玻璃上可分辨的细节越来越丰富；但当拍摄条件为10.1和12.8 mAs时，分辨率没有明显差异；在16 mAs时，线对卡由于过量曝光几乎没有影像。因此，对本测试模块，12.8 mAs是最佳曝光条件。线对卡图像如图5所示，可以分辨1.8 LP/mm；铝梯下的有机玻璃如图6所示，前2组槽比较清晰，第3组隐约可见2条。

4.2 全脊柱X线数字成像装置的拍摄结果

当拍摄条件为2.56 mAs时，线对卡可分辨0.8 LP/mm；当拍摄条件为51.2 mAs时，线对卡接近过曝光。因此，对本测试模块，25.6 mAs是最佳曝光条件。线对卡图像如图7所示，可以分辨1.6 LP/mm；铝梯下的有机玻璃如图8所示，前2组槽显示不完全。另外，图7、图8图像噪声都很明显。

图5 CDXI平板探测器拍摄的线对卡

图6 CDXI平板探测器拍摄的有机玻璃

图7 全脊柱X线数字成像装置拍摄的线对卡

图8 全脊柱X线数字成像装置拍摄的有机玻璃

4.3 Safire17狭缝技术的拍摄结果

在Safire17狭缝技术拍摄成人全脊柱正位的缺省条件（焦—屏距150 cm、100 kV、320 mA、8 ms）下，线对卡根本调不出来，说明X线剂量太大。在该机器mAs最小可调至的80 mA、6.3 ms条件下，用60 kV曝光，线对卡有较好分辨率，但5阶铝梯只调出4阶。经反复改变拍摄条件组合，在焦—屏距110 cm和100 kV、80 mA、8 ms组合下得到比较理想的图像。线对卡图像如图9所示，可以分辨1.2 LP/mm；铝梯下的有机玻璃如图10所示，前2组槽比较清晰，第3组隐约可见2条。需要注意的是，图9线对卡的LP/mm处有“重影”，图10中在几个铝梯的边界也出现了“重影”。

图9 Safire17拍摄的线对卡

图10 Safire17拍摄的有机玻璃

5 结论及讨论

本实验研制的成像装置的长增感屏需要2 mm铝板的支撑，其他设备实验时也使用了此铝板，因而线对卡的测试结果肯定低于各自设备的极限空间分辨率。

5.1 关于Safire17狭缝技术

（1）空间分辨率和X线剂量。Safire17狭缝技术最佳条件为0.64 mAs，线对卡分辨率为1.2 LP/mm，对应佳能CDXI的DDR系统为12.8mAs和1.8LP/mm。岛津Safire17狭缝技术拍摄全脊柱时用合并像素工作是上述差别的主要原因，灵敏度是未合并时的4倍，空间分辨率是未合并时的0.5倍。Safire17狭缝技术拍摄长60 cm全脊柱的总X线剂量为0.64 mAs× 30=19.2 mAs，但佳能CDXI的DDR系统的X线剂量是单次Safire17狭缝技术的20倍（12.8 mAs÷ 0.64 mAs），这需要进一步解释或实验。Safire17狭缝技术广受好评还说明全脊柱成像并不需要很高的空间分辨率。

（2）伪影问题。Safire17狭缝技术拍摄长60 cm全脊柱需要8 s，是目前临床应用最快的数字成像技术，但被拍摄对象不自主移动造成的“移动伪影”仍然是该技术需要注意的问题。本实验还发现静止的测试模块也会出现“重影”，这可能是该技术被忽视的一个问题。虽然“重影”只出现在密度变化大而且是拼接的区域，但对临床应用的影响有待进一步评估。作为一种客观存在，提示在该技术应用时要注意该问题，避免它对临床诊断和治疗的影响；也提示设备提供商应该及时解决该问题。

5.2 关于全脊柱X线数字成像装置

（1）X线利用率。本小组研制的全脊柱X线数字成像装置最佳成像时的X线剂量是佳能CDXI的DDR系统的2倍，是单次Safire17狭缝技术的40倍，说明本装置需要大大提高X线利用率才具有使用价值。本装置用佳能EOS 5D2相机成像，图像传感器是彩色CMOS芯片，换成黑白芯片灵敏度×3；以4个像素并成1个工作，灵敏度×4；定制大孔径镜头（f/1.2）代替目前f/2.8镜头，灵敏度×5。仅上述3个改变可使本装置的X线利用率变成原来的3×4×5= 60倍，超过Safire17狭缝技术的X线利用率。

（2）密度分辨率和图像噪声。本装置在密度分辨率和图像噪声方面都比同时测试的2套DDR系统差很多。密度分辨率主要取决于图像传感器的动态范围。本装置（传感器）运行在室温环境，而CCD温度每降低7℃，其温度噪声降低1倍[15]；本装置图像中有一些大而突出的噪声，是由散射的X线引起。这些噪声降低了传感器的动态范围，是影响本装置密度分辨率的最重要因素。因此，采用制冷（一般都把探测器制冷到-10℃以下）单色天文或科学级相机替代普通单反数码相机，对装置进行更完善的X线屏蔽将解决成像传感器的噪声问题，大幅提高装置的密度分辨率。

综上所述，以单反数码相机和X线增感屏为核心的全脊柱X线数字成像装置取得了有价值的实验数据。如果用制冷单色相机、大孔径镜头等对目前装置的有关器件升级，完善X线屏蔽等方面的设计即能研制出符合临床诊断要求的全脊柱X线数字成像装置。该装置只需一次X线曝光、不用拼接，即直接得到全脊柱数字化X线图像，避免现有各种拼接技术固有的拼接伪影，能确保Cobb角的测量精度。

[1]张新华，邱勇，张冰，等.X线超长规格全脊柱摄影装置的研制与应用[J].中华放射学杂志，2002，36（1）：82-83．

[2]史建静，许崇永，赵晓君.全下肢及全脊柱成像技术的临床应用[J].放射学实践，2005，20（9）：833-834．

[3]赵廷强，吴南洲，肖越勇，等.直接数字化X线成像系统实现负重位全脊柱全下肢成像的方法研究[J].中华实验外科杂志，2009，26（5）：675.

[4]CARESTREAM HEALTH，INC.Method and system for acquiring full spine and full leg images using flat panel digital radiography：US，2005104018A1[P].2005-05-19.

[5]陈建新，付丽媛，陈自谦，等.脊柱全景成像技术在脊柱侧弯摄影中的应用[J].生物医学工程与临床，2012，16（2）：168-171.

[6]彭晓阳，李佐华，胡中军.全脊柱拼接技术在青少年脊柱侧弯成像的应用[J].中华实验外科杂志，2009，13（3）：234-237.

[7]王健，王昌元，于凤珍，等.计算机X线摄影与屏-片成像系统的

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）ROC曲线特性比较研究[J].中华放射学杂志，2004，38（9）：982-987.

[8]张梦龙，于凤珍，谢晋东，等.计算机X线摄影适宜照射线量的探讨[J].中华放射学杂志，2004，38（12）：1 273-1 276.

[9]Ono K，Yoshitake T，Akahane K，et al.Comparison of a digital flatpanel versus screen-film，photofluorography and storage-phosphor systems by detection of simulated lung adenocarcinoma lesions using hard copy images[J].The British Journal of Radiology，2005（78）：922-927.

[10]Laney A S，Petsonk E L，Wolfe A L，et al.Attfield.Comparison of storage phosphor computed radiography with conventional filmscreen radiography in the recognition of pneumoconiosis[J].European Respiratory Journal，2010，36：122-127.

[11]范志刚.CR与普通摄影曝光剂量和剂量当量的比较[J].实用放射学杂志，2007，23（1）：106-108.

[12]石冬，刘志，杜天会，等.DDR摄影与屏-片系统摄影比较体会[J].医疗卫生装备，2008，29（12）：89-90.

[13]乔文，严惠民.X光机数字化的研究进展[J].光学仪器，2007，29（5）：80-84.

[14]刘建新，徐同江，邓刚.数字X线摄影系统适宜曝光量差别的研究[J].中华放射学杂志，2010，44（7）：744-746.

[15]郑亮亮，金光，张刘.高频高信噪比CCD图像采集系统的研究[J].微计算机信息：嵌入式与SOC，2010，26（6-2）：192-194.

（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

国家科技支撑计划（2012BAF14B06）

林玉峰（1968—），男，高级工程师，主要从事医学放射诊疗设备的维护和开发工作，E-mail：linyufeng.ok@qq.com。

350025福州，南京军区福州总医院医学工程科（林玉峰），医学影像科（刘冰川）

刘冰川，E-mail：xtrans2@163.com