防散射滤线栅对床旁CR与DR胸部摄片图像质量的影响研究

陈逸群，陈建平

（苏州市第九人民医院 影像科，江苏 苏州 215200）

0 引言

使用光激励存储荧光体成像板的计算机X线成像(computer radiography，CR)系统的宽曝光范围和图像后处理能力，使床旁CR胸部摄片被广泛使用，取代了以往使用屏/片组合的模拟X线成像[1]。数字X线摄片(Digital Radiography，DR)使用有源矩阵、平板X线探测器，提高了图像质量，越来越多地用于床旁胸部摄片。这种图像质量的提高主要是由于平板DR的量子检测效率(detective quantum efficiency，DQE)高于CR。DQE提供了一种指标，描述探测系统将入射X线转换为可用输出信号的程度[2]。不管采用何种图像采集技术，X线散射都会影响图像质量。散射降低了采集图像的可用动态范围，降低了信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，这会更难观察到组织和异物的细微变化，尤其是在纵隔的高衰减区域。传统的CR摄片对散射特别敏感，因为与屏/片摄片系统和DR系统不同，CR的X线吸收在诊断性X线散射通常出现的光谱/能量范围内相对较高[3]。在成人胸部X线摄片中，纵隔和心脏产生的X线散射可以通过防散射滤线栅部分降低[4]。为了补偿滤线栅对一次辐射的伴随衰减，通常会增加患者的照射量，但这种做法仍有争议[5]。尽管许多先前的研究已经讨论了CR和DR之间的图像质量[6-8]以及CR中使用滤线栅的图像质量问题[9-11]，但是文献仍然缺乏关于成人床旁X线摄片中使用DR系统的滤线栅的影响。因此，本研究的目的是评估两种不同成像系统在成人床旁胸部X线摄片中的诊断性能，以及在有防散射滤线栅的情况下，使用这些系统采集的图像中选定的诊断相关结构的可见度的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2020年1～12月选取在苏州市第九人民医院住院并接受床旁胸部前后位X线摄片的245例患者，其中，男177例，女68例；年龄18～96岁；平均（64.68±18.15）岁。所有床旁胸片均为住院常规检查及临床适应证，本研究获得医院伦理委员会的批准。

1.2 方法

使用4种不同摄片方式获得图像：床旁CR胸部摄片、带防散射滤线栅床旁CR胸部摄片、床旁DR胸部摄片和带防散射滤线栅的床旁DR胸部摄片。纳入本研究的所有患者在住院期间均使用所有4种技术进行胸部摄片。

1.2.1 床旁X线摄片系统

CR图像是使用IP成像板采集的(IP Cassette Type DS，Fujifilm，Japan)，IP成像板尺寸35.4cm×43.2cm(14"×17")，图像矩阵大小3520×4280，像素大小0.100mm。DR图像是通过无线平板探测器采集的(MobileDiagnost wDR，Philips，Spain)，无线平板探测器尺寸35cm×43cm(14"×17")，图像矩阵大小2330×2846像素，像素大小0.148mm。

1.2.2 图像采集技术

本研究所有图像均在标准化条件下采集，患者处于仰卧位，IP板或无线平板探测器处于横向模式，焦点到探测器的距离保持在150cm。曝光技术基于以下几个方面考虑。首先，患者状况和床边摄片定位的变化，使得即使是同一患者的图像也具有内在的变化性，但是所使用CR和DR探测器的宽曝光宽容度以及进行图像处理的能力在很大程度上减轻了这种变化。其次，DR探测器和CR探测器之间的DQE有很大的差异(在零空间频率下大约是3倍)。可以利用DR探测器的这种DQE优势，与CR探测器使用的标准剂量水平下产生的图像质量相比，提高图像质量，或者在降低剂量的同时，保持与CR探测器标准剂量下产生的图像质量水平相当。此外，DR和CR探测器之间的DQE差随空间频率而变化，在零空间频率处最高，并且随着空间频率的增加而降低。根据诊断任务的分辨率要求，DR在1个空间频率的DQE优势在另一个空间频率可能会减弱。由于本研究中的诊断目标范围从软组织(较低的空间频率)到异物(较高的空间频率)，所以不根据两个探测器的零频率DQE调整曝光参数，更高的DQE剂量减少优势可能是未来关于优化DR床旁摄片的研究主题。因此，本研究的患者曝光参数保持不变，与探测器无关，但调整曝光参数以补偿防散射滤线栅，目的是保持探测器入射曝光合理恒定。管电压保持恒定在125KV，管电流设置为1mAs(无防散射滤线栅)或1.6mAs(有防散射滤线栅)。在整个研究过程中，这些曝光参数由3名经验丰富的放射技师设置和监测。

1.3 图像质量评估

使用巨鲨专业显示器(JUSHA-M23B)，显示器具有12Bit查找表，可以表达4096级灰阶，最大亮度高达1100cd/m2，通过4次读片对图像进行评估。2名放射科主治医师和2名放射科副主任医师单独解释图像，对研究目的和设计完全不知情，读片条件在整个读片过程中保持不变。对于每例患者，所有4幅图像按时间顺序同时显示在2台高分辨率液晶显示器上，每台显示器上显示2幅图像，读片者可以根据自己的喜好使用窗口或放大等处理工具。读片者的图像评估参考5项图像质量标准：①评估肺实质的可见度；②评估软组织的可见度；③评估胸椎的可见度；④评估异物的可见度；⑤评估整体图像质量。每例患者的4张图像使用9分可见度评价指标进行并列评分。1分表示可见度不足，9分表示可见度最佳，采用宽评分标准是为了给读片者提供更多的灵活性，见表1。

表1 图像质量评估可见度等级

1.4 统计学分析

采用SPSS 21.0版本软件对数据进行统计学分析，所有读片者的评分都被收集并制成表格。组内相关系数(intraclass correlation efficient,ICC)用于评估图像质量标准的观察者间一致性。采用ICC评价指标：0～0.20，微弱；0.21～0.40，弱；0.41～0.60，中度；0.61～0.80，高度；0.81～1.00，极强。对于每个图像质量标准，计算所有评价者的平均评分。通过方差分析对评分进行比较，在多组比较的情况下进行事后检验法Tukey检验，在单组比较的情况下对得分进行t检验，以P<0.05为具有统计学显著性。

2 结果

2.1 使用滤线栅与不使用滤线栅的床旁DR图像质量比较

在无滤线栅的床旁DR胸部摄片中，肺实质、软组织、胸椎、异物和整体图像质量的平均评分分别为（7.44±0.59）、（7.14±0.74）、（6.75±0.94）、（7.73±0.69）和（7.05±0.64），而在有滤线栅的床旁DR胸部摄片中，肺实质、软组织、胸椎、异物和整体图像质量的平均评分分别为（7.83±0.54）、（7.52±0.66）、（7.47±0.87）、（8.34±0.63）和（7.52±0.61）。在所有5项图像质量标准中，有滤线栅的床旁DR胸部摄片优于无滤线栅的床旁DR胸部摄片(P<0.001)，见表2。

表2 有无滤线栅的床旁DR及CR图像质量比较（)

表2 有无滤线栅的床旁DR及CR图像质量比较（)

2.2 使用滤线栅与不使用滤线栅的床旁CR图像质量比较

对于肺实质和软组织的划分以及整体图像质量的评估，使用滤线栅的床旁CR胸部摄片优于不使用滤线栅的床旁CR胸部摄片(P<0.001)。但在异物可见度的评估中，结果却恰恰相反，有滤线栅的床旁CR胸部摄片评分(4.27±1.11)明显低于无滤线栅的床旁CR胸部摄片评分(4.64±1.21)，P<0.001。对于胸椎的划分，床旁CR胸部摄片加滤线栅的优越性也不明显(P=0.554)。

2.3 床旁CR和DR胸部摄片加与不加滤线栅的图像质量比较

床旁DR胸部摄片在整体图像质量、肺实质可见度、软组织可见度、胸椎可见度和异物可见度方面优于床旁CR胸部摄片，见表3。4个读片者的床旁DR胸部摄片评分显著优于床旁CR胸部摄片(P<0.001)，与滤线栅无关，见表4。

表3 Tukey检验床旁CR和DR胸部摄片加与不加滤线栅的图像质量比较（)

表3 Tukey检验床旁CR和DR胸部摄片加与不加滤线栅的图像质量比较（)

注：*P=0.554

表4 t检验床旁CR和DR胸部摄片加与不加滤线栅的图像质量比较（)

表4 t检验床旁CR和DR胸部摄片加与不加滤线栅的图像质量比较（)

2.4 图像质量标准的观察者间一致性评估

在4名观察者中，在评估肺实质可见度(ICC，0.77)、软组织可见度(ICC，0.78)、胸椎可见度(ICC，0.80)以及评估整体图像质量(ICC，0.78)方面有高度的一致性。在异物可见度方面，观察者之间一致性极强(ICC，0.81)。在评估床旁CR (无滤线栅)(ICC，0.80)、床旁CR (有滤线栅)(ICC，0.79)、床旁DR (无滤线栅)(ICC，0.69)和床旁DR (有滤线栅)(ICC，0.66)中的所有结构时，观察者间基本一致。无论评估的结构或使用的摄片方式，使用或不使用滤线栅，观察者间一致性均具有统计学意义(P<0.05)。

3 讨论

ALARA原则要求以尽可能低的辐射剂量生成具有足够诊断质量的图像，这一要求促使采集系统的客观图像质量特性不断改进[12]。CR与传统的单面粉末系统相比，针状磷光体和双面粉末磷光体读出系统产生了更好地DQE[13]。DR中的闪烁体材料，如碘化铯与硫氧化钆和平板技术的改进导致了客观图像质量的进一步提高。

本研究使用的CR系统的DQE约为20%～25%，而DR系统的DQE约为60%～65%[14]，这种DQE差异有助于更好地测量DR系统的性能。CR和DR无滤线栅的图像质量分别为（4.17±1.01）和（7.05±0.64）；CR和DR有滤线栅的图像质量分别为（4.42±0.91）和（7.52±0.61）。

探测器特性的改进必须与X线散射的问题相平衡，与其他X线成像方式相比，使用高X线光子能量，加上厚实的身体部位和大视野，在胸部X线摄片中会产生大量的散射辐射[15]。在没有抗散射滤线栅的情况下获得的X线光片中，散射辐射占肺后总辐射的50%～70%，约占中央纵隔/胸椎后总辐射的90%～95%，散射辐射具有降低对比度和增加图像噪声的不利影响[16]。虽然对比度降低可以通过后处理在很大程度上得到补偿，但是至少在DR中，散射辐射对图像噪声的影响是不容易校正的[15]。

本研究使用具有较高辐射剂量的防散射滤线栅，使得CR图像中胸椎的划分稍微好一些，但并没有明显改善(P=0.554)。对肺实质的评估结果显示，当使用滤线栅时，CR的图像质量得分显著提高(P<0.001)。另一方面，有防散射滤线栅的CR在评估异物方面的性能比没有滤线栅的CR差。这种对较高频率结构的较差性能表明，使用滤线栅造成的20%剂量损失将相关空间频率处的信噪比提高到低于适当视觉检测所需的水平。这表明，目前我院CR成像所使用的标准剂量水平确实接近于确保相关临床目标可见性所需的下限，符合ALARA原则。

对于DR成像，在所有5个质量标准中，滤线栅成像比无滤线栅成像的优越性是显著的。考虑到碘化铯探测器的高DQE,这一结果或许并不意外。即使是没有完全补偿滤线栅的Bucky因子的曝光所导致的20%剂量惩罚，也显然留下了足够的SNR,以便能够直接检测相关的临床结构，无论是在高或低的空间频率。这与先前发表的一项研究一致，该研究表明，剂量减少25%不会对DR的图像质量产生明显影响[12]。

综上所述，尽管DR系统在没有反散射滤线栅的情况下提供了非常好的图像质量，但是在具有较高辐射剂量的成人床边X线摄片中使用滤线栅是有益的，并且明显改善了低频和高频结构的图像质量。这究竟是由于高剂量所致，还是由于散射减少所致，目前尚不清楚。从DQE差异可以看出，床旁DR始终优于CR。对于CR，反散射滤线栅对成人床旁X线摄片图像质量的影响是混合的，肺实质和软组织的可见度适中，明显提高，但胸椎只有轻微的改善，异物的表现比无滤线栅更差。