腰椎体模X线摄影距离对图像质量及辐射剂量的影响

吕高泉，商旭，刘磊

摄影距离（source－to－film distance，SID）是X线摄影检查中的一个重要参数，改变SID会影像患者的辐射剂量，并对图像质量产生一定影响。依据平方反比原则，辐射剂量与SID的平方呈反比，因此增加SID可以减少受检者的辐射剂量［1－3］。目前国外的研究中SID多为100～130cm，相对胸片的SID 180cm没有统一，对于操作便利性没有帮助［4－6］。国内的研究都没有使用滤线栅，然而在X线摄影实践中，需要使用滤线栅滤除散射线。目前的研究对于实际临床使用有一定的局限性［7－8］。本文通过将腰椎SID增加到与胸片相同的距离，同时使用滤线栅进行摄影，探讨SID对辐射剂量以及图像质量的影像。

材料与方法

1．检查设备

本研究采用GE Discovery 656DR仪；栅焦距为130cm的聚焦型滤线栅，适用于100～180cm的SID，栅比10／1，铅条密度70lines／cm；球管大焦点尺寸1．3mm；非晶硅探测器，尺寸41cm×41cm，有源矩阵2022×2022像素，像素大小200μm，影像深度14Bit，典型DQE 68%。骨密度（BMC）腰椎体模（Hologic Part Number030－1967），体模尺寸：上下径17．7cm，左右径15．2cm，前后径17．2cm。

2．图像获取

实验前设备进行校准，执行QAP（Quality Assurance Planning）程序。管电压50～125kV，每次增加5kV，SID为100～180cm，每次增加5cm，采用中心电离室AEC（Automatic Exposure Control）曝光模式，获得原始图像（图1），图像保存为DICOM（Digital Imaging and Communication Medicine）格式。

3．参数提取

滤波：原始图像进行高斯滤波，高斯函数滤波能够平滑图像，去除随机噪声，并能很好的保存图像边缘。高斯函数参数：滤波窗口3×3，sigma＝1；Matlab高斯滤波函数：gausFilter＝fspecial（＇gaussian＇，［3，3］，1）。

提取边缘：本研究调用Matlab（2017b，Math－Works，US）的edge函数，选用Canny算子进行边缘提取。Canny算子按照高低阈值将边缘梯度信息分为弱梯度点，中等强度梯度点，强梯度点。算子自动剔除弱梯度点和独立的中等强度梯度点，将强梯度点以及与之相连的中等强度梯度点绘制为边缘［9－10］。

ROI选取：Matlab编程选取图像中的腰椎区域为兴趣区（region of interest，ROI），ROI要包含所有的腰椎结构，同时ROI面积尽量小，以免计算参数时受到周围边缘结构的影响。

参数计算：对ROI内边缘图像进行计算，统计腰椎边缘像素点数目（图2），记为边缘长度（edge length，EL），用于评价图像的边缘强弱，从而评价图像质量。

4．辐射剂量参数

记录每次曝光的入射剂量Dose和吸收剂量（dose area product，DAP）值，作为辐射剂量评价参数。Dose的单位是mGy，表示单次曝光患者的入射剂量；DAP的单位是mGy·cm2，与照射野的大小相关。DAP与被照射组织的吸收剂量成比例的变化，因此应用DAP来评价患者的吸收剂量［11］。

5．数据分析

采用SPSS软件进行统计学分析。采用Excle（Microsoft，16．13）绘制散点图及曲线拟合。对不同SID所得图像的EL值进行配对t检验，以P＜0．05为差异有统计学意义。

结 果

1．图像质量比较

用Matlab编程分别计算SID为100cm和180cm图像的EL值（表1）。SID100cm组与SID180cm组图像EL值比较，差异无统计学意义（t＝1．849，P＝0．084）。

表1 SID为100cm和180cm图像的EL值

2．最优管电压

用Matlab编程计算每幅图像的EL值，按照管电压 分 组：50kV，55kV，60kV，65kV，70kV，75kV，80kV，85kV，90kV，95kV，100kV，105kV，110kV，115kV，120kV，125kV。绘制SID－EL散点图，并绘制趋势线（图3）。

各组管电压组SID－EL散点图进行线性拟合，EL＝k·SID＋b。根据拟合参数计算SID100cm和SID180cm图 像EL的 变 化 率（rate of edge length，REL），REL＝（EL180－EL100）／EL100×100%。k为拟合直线的斜率，b为常数，REL反映图像质量的变化情况。由拟合方程计算不同管电压的REL值。绘 制kV－REL曲 线（图4）。60kV时，REL＜0，SID180cm图像质量优于SID100cm；70～95kV时，0＜REL＜5%，图像质量变化较小。

3．SID与辐射剂量的关系

绘制60kV、70kV、75kV、80kV、85kV、90kV、95kV辐射剂量Dose，DAP随SID变化的曲线（图5、6）。Dose、DAP与SID都呈负相关。60kV组，辐射剂量Dose，DAP明显高于70～95kV组，且腰椎摄影中，60kVp不能满足临床诊断需要，因此选定70～95kV为最优管电压。

计算SID100cm与SID180cm辐射剂量变化率（表2）。在管电压70～95kV时，SID100cm与180cm比较，Dose下降44．7%～47．2%，DAP下降21．3%～24．6%。

图1 不同SID及管电压获得的原始图像。a）SID100cm，管电压70kV；b）SID130cm，管电压70kV；c）SID180cm，管电压70kV；d）SID100cm，管电压90kV；e）SID130cm，管电压90kV；f）SID180cm，管电压90kV。

表2 不同管电压SID100cm和SID180cm的剂量及变化率

图2 腰椎边缘及选取的ROI。

讨 论

本文利用腰椎体模研究SID对图像质量及辐射剂量的影响，通过优化的参数评价图像质量，结果表明：腰椎体模摄影，体模厚度17．2cm，最优管电压为70～95kV，图像质量略有下降，辐射剂量Dose、DAP显著下降。虽然已有相关研究［12－14］证实，增加SID可以降低受检者的辐射剂量，但这些研究都存在明显的局限性：①SID多为100～130cm，相对胸片的SID 180cm没有统一，在进行多部位摄影时，需要多次调整SID，没有增加便利性。②都没有使用滤线栅，在X线摄影实践中，体厚超过15cm，管电压高于60kV时，为了减少散射线对图像清晰度的影响，都需要使用滤线栅。滤线栅的使用会增加摄影条件，对受检者的辐射剂量以及图像的质量都会有影响。因此，将滤线栅纳入试验中，所得的结果才更有临床应用价值。

腰椎摄影时增加距离，相当于增加了空气滤过，减少了低能X射线，射线的质增加，使透过被照体的射线增多，被吸收的降低。AEC模式下，射线透过人体到达电离室，电离空气产生电信号，到达设定阈值时停止曝光。从实验数据来看：80kV，SID100cm时，为17．41mAs，SID为180cm时，为44．38mAs，SID增 加 为1．8倍，mAs增 加 为2．55（1．81．59）倍，应用AEC进行曝光，增加的mAs并未达到平方反比的理论值，这是因为射线质增强，电离室要产生相同的电压信号，射线量相应减少，所以辐射量降低。

射线量的相对减少会使得图像整体信噪比降低，组织对比度下降［15］。但增加SID，图像放大失真减小，边缘更佳锐利，SID的增加对图像质量有利也有弊。现有的评价图像质量的参数包括：由多位有经验的影像科医师按照评价标准进行主观打分，以及信噪比、对比度等客观评价参数。本文的原始图像是一系列管电压及SID在相同的腰椎后处理参数条件下获得的，不同的摄影条件所得的图像亮度对比度有明显差异（图1），这种差异会影响主观评价参数的结果。其次，本研究使用的腰椎体模是均匀介质中腰椎仿真模型，与人体腰椎相比是一个理想化的模型，所得图像中腰椎解剖结构更容易分辨，因此更适用于客观评价方法。传统评价参数均值、方差、信息熵、EI值等反映的是ROI内图像的整体质量，不能真实的反映特定解剖结构的显示质量。本文的腰椎体模图像观察的重点是腰椎骨骼边缘信息，对于图像的质量评价主要评价边缘结构信息的丰富程度。因此，针对此腰椎体模图像，提出了基于腰椎体膜骨骼边缘提取的专用图像评价方法。

图3 不同管电压SID－EL散点图及拟合趋势线。

国内外的研究都没有研究SID改变时，管电压对图像质量及辐射剂量的影响。理论上增加SID，增加了空气对低能X射线的滤过，使射线平均能量升高，影响图像质量。不同的管电压，X线的平均能量也不一样，对图像质量也会发生相应的变化，因此应该将管电压的变化考虑进去。本文结合DR设备的管电压额定范围及常用部位的管电压参数，将管电压设置为50～125kV，每次增加5kV，研究管电压连续变化时图像质量的变化。从实验结果可以看出，不同的管电压，增加SID时，图像质量变化有较大差异，70～95kV时，图像质量受SID影响较小。

临床摄影实践中各个部位SID的统一，可以大大提高工作效率。面对日益增加的就诊患者，任何一个诊疗环节工作效率的提高，都将缩短诊疗周期，加快疾病的诊治。患者增加的同时，每位患者的检查项目也越来越多。其中骨关节科、风湿科、急诊外伤等科室的患者多为一次进行多个部位的摄影。现有的摄影技术指南中，胸片SID为180cm，心脏SID为200cm，其他部位SID都为100cm，影像技师在进行多部位的摄影时，需要不断调整SID，以适应不同的部位。同时，不同的摄影设备对SID的设置，配备滤线栅的焦距也不一致，影像技师调整SID的同时还要根据SID调整摄影参数。将各部位的SID统一为一个较大的SID，减少患者辐射剂量的同时，可大大提高了工作效率，缩短摄影检查时间。

腰椎远距离摄影可以减小图像的放大失真，减小半影，提高图像锐利度。对身体较厚、兴趣部位无法贴近探测器的部位，例如胸腹部侧位，脊柱侧位等进行摄影，以及对肢体无法紧贴探测器的部位进行摄影，物片距相对增加，此时增加SID可以优化图像质量；对于某些特殊体位摄影，能够优化图像质量。有研究［16］表明，腰椎后前位摄影相对于常用的前后位摄影，可以降低20%的有效剂量。但是后前位摄影的图像质量比前后位稍差，原因为后前位时，脊柱距离探测器距离增加，放大失真严重。增加SID，有利于减小放大失真，能更好的使用后前位腰椎摄影。

本研究的局限性：本文的研究对象是固定密度、大小、形状的腰椎体模，与人体腰部有较大的差异，体模只适用于理论研究，而复杂人体对于实验结果的影响将在接下来的工作中进行研究。本文提及的摄影方法对于其他人体部位是否适用将有待进一步的理论及临床研究。本文提出的图像质量评价方法只适用于该腰椎体模图像，对于其他体模及人体图像的评价效果未得到验证。本文使用单一DR系统，不同的DR机型由于滤线栅的参数、探测器种类等因素不同，结果可能会有差异，应根据具体的机型参数进行响相应的临床研究。

综上所述，在腰椎体模正位X线摄影时，将SID增加到180cm，使用滤线栅，采用AEC曝光模式，管电压在70～95kV时，图像质量降低很小，患者辐射剂量大幅度降低。

图4 kVp－REL曲线。 图5 SID－Dose曲线。 图6 SID－DAP曲线。