骨科三維C形臂的性能對比研究

1.首都醫科大學 生物醫學工程學院，北京 100069；2.北京積水潭醫院設備科, 北京 100035

骨科三維C形臂的性能對比研究

韓乾1,2，陳安宇1

1.首都醫科大學 生物醫學工程學院，北京 100069；2.北京積水潭醫院設備科, 北京 100035

本文結合我院所使用的兩款不同采集原理及成像技術的三維C形臂，從設備的硬件、圖像質量、劑量控制參數等方面對這兩種三維C形臂進行詳細地對比性研究。為臨床能夠更好地使用設備提供技術依據。

三維C形臂；三維掃描；紅外導航系統；劑量控制

0 前言

隨著科技的進步，現在醫院的骨科用X線機種類繁多，從普通的X線機、移動式C形臂X線機，到近幾年發展起來的三維C形臂，使X線設備在手術中發揮著越來越重要的作用。隨著X線成像技術的發展，現在的X光成像系統在功能、影像質量與成像速度上都有了顯著的改進，進一步改進了手術室中復雜外科手術的臨床工作流程。

我院使用骨科三維C形臂與紅外導航系統配合完成紅外線主動誘導計算機輔助三維導航手術[1]，這種手術方式能讓外科醫師以細到mm的精確度，實時根據病人的解剖情況，確定手術器械的位置。通過三維C形臂重建病人病灶的三維結構，術者能夠直觀看到病灶的具體情況，有效縮短手術時間，大大提高外科手術的精確性。

1 我院骨科三維C形臂系統介紹

1.1 西門子ARCADIS Orbic 3D

1999年，德國西門子公司生產了世界上第一臺可以進行術中即時三維影像重建的電動C形臂系統—ISO 3D系統。該設備在設計上除去了中央主軸與C形臂軌道旋轉軸之間的機械分叉，實現等中心、電纜內置滑環設計，采用步進電機設定C形臂的自動連續軌道向旋轉角度，C形臂自動連續旋轉190°采集100幅數字圖像，并同步自動重建三維圖像。之后西門子推出新一代的ARCADIS Orbic 3D，進一步改善圖像分辨率、采集時間、軟件后處理等功能。

1.2 奇目 Vision FD Vario 3D

2003年德國奇目公司推出了可變等中心（非等中心）的移動C形臂—Vario 3D，該設備在普通機械軌道向運動的C形臂基礎上實現135°軌道向可變等中心，采集110幅數字圖像，并重建三維圖像。2007年奇目推出平板三維C形臂Ziehm Vision FD Vario 3D。本文對比的是Ziehm Vision FD Vario 3D平板C臂。

2 西門子三維C形臂和奇目三維C形臂臨床應用對比

對比設備：我院骨科應用的西門子三維C型臂（Siemens ARCADIS Orbic 3D）（簡稱西門子3D）和奇目三維C型臂（Ziehm Vision FD Vario 3D）（簡稱奇目3D）兩種設備。測試工具：Unfors Xi R/F dose mete 劑量儀。2.1 mm 的X線濾過銅板。CNR體模：IBA全能型圖像質量測試體模。測試體摸：盆骨體模。

2.1 設備情況對比

（1）主機組成均由移動式C形臂、移動式臺車及監視器構成。設備的主要部件對比，見表1～3。

表1 主要部件對比

表2 相關參數對比

（2）X線二維成像探測器參數對比，見表3。

西門子3D 采用9英寸影像西門子增強器（23 cm），奇目3D采用瓦里安19.8 cm×19.8 cm平板探測器。

表3 成像探測器參數對比

2.2 二維X線及圖像系統對比

2.2.1 二維成像模式對比

西門子3D和奇目3D都具備連續透視、脈沖透視、數字點片DR。二維X線及圖像系統對比，見表4。

表4 各種模式參數對比

2.2.2 X線二維成像劑量測試對比

（1）目的：測試對比二維成像過程中，影像增強器及病人皮膚劑量率。隨著X線機應用越來越廣泛,使得手術工作者在工作中接受X射線的輻射機會大大增加[2]。若機體在較長時間內連續或間斷受到X射線照射且達到一定劑量時，會引起以造血組織損傷為主的放射性損傷，甚至導致白血病等病變。在這種發展趨勢下，醫用電離輻射給醫護人員造成機體損傷的潛在危險愈來愈受到重視。所以，通過這次測試能夠讓醫務工作者更直觀地了解射線強度[3]。

（2）設置：準直器完全打開，達到最大成像視野；放置2.1 mm Cu模體在球管管套表面；放置劑量測試儀在影像增強器或平板的邊緣，但是測試儀始終在X線曝光區域。

（3）采集：測量8 f/s脈沖透視模式下，影像接受器的劑量值，分別測試3組，對比結果，見表5。

表5 8幀/s脈沖透視模式下影像接受器的劑量值

根據平方反比定律公式，推算出病人的皮膚劑量：

公式(1)中：K1是離焦點d1距離測量點的劑量/劑量率，K2是離焦點d2距離測量點的劑量/劑量率。

估計距離病人皮膚圖像受體是40 cm。源像距SID（Source Image Distance）奇目系統是d1=111 cm，西門子系統是d1=98 cm。所以奇目系統d2=71 cm，西門子系統d2=58 cm。病人皮膚劑量可以從公式(1)計算出，對比結果，見表6。

表6 病人皮膚劑量對比

（4）結果分析：二維成像劑量對比，以平均值計算，奇目比西門子的探測器劑量大約高出184.4%，病人皮膚劑量大約高出143.4%，柱狀圖對比，見圖1～2。

圖1 影像接受器的劑量值對比圖

圖2 病人皮膚吸收的劑量值對比

2.2.3 X線二維成像效果測試對比

（1）目的：C形臂在手術室中的二維成像是最常見的應用，并且在很多微創手術的開展對X線的投照及引導的要求很高，X線的成像效果尤為重要，并且兩臺設備的成像系統和二維成像參數均有所區別[4]，所以通過使用CNR體模進行測試空間分辨率，灰度動態范圍，低對比度分辨率對比等。

（2）設置：準直器完全打開，達到最大成像視野；放置CNR測試工具（圖3）在影像增強器或平板的中央。

圖3 CNR體摸

圖4 單張CNR體摸的X線圖片

（3）采集：分別測量連續透視（圖4），數字透視模式下，獲取的CNR工具的圖像進行讀數，分別測試3組以上，對比結果，見表7～8。

表7 連續透視模式對比

表8 數字DR透視對比

（4）結果分析：從各模式檢查對比表中我們可以看出，西門子的灰度動態范圍要優于奇目，因為從體模上可以分清更多數目的灰階。低對比度分辨率西門子也略好一些。而在放大模式0級（即無放大情況）空間分辨率奇目要優于西門子，這是由于兩者成像原理不一樣，奇目是平板成像，而西門子是影像增強器成像。但是我們看到再放大模式1中西門子的空間分辨率有明顯的提高，原因是影像增強器是物理放大，而平板是電子放大[5]。

2.3 三維X線及圖像系統對比

2.3.1 三維掃描方式對比

西門子3D 具備2種模式：高圖像質量掃描、標準圖像質量掃描；奇目3D具備3種模式：小兒骨科模式、軀干四肢模式、脊柱模式。

2.3.2 三維成像劑量對比

（1）目的：在三維采集不同的模式下，以及不同曝光次數，所產生的曝光輻射劑量均是二維多角度、多頻次曝光的劑量累積[6-7]。所以需要判斷兩種設備在旋轉采集二維序列圖像的累積劑量是否存在差異，因此，測試對比三維成像過程中分別采用不同模式的累計劑量和采集時間，并在每種模式下采集3次。

（2）設置：測量西門子標準采集50次190°曝光標準模式，高清模式100次190°曝光高質量模式；奇目3種135°掃描模式：小兒骨科、軀干四肢模式、脊柱模式。將準直器完全打開，達到最大成像視野；放置2.1 mm Cu模體在球管管套表面；放置劑量測試儀在影像增強器或平板的邊緣，但是測試儀始終在X線曝光區域。

影像增強器/平板的劑量值，分別測試3組以上，西門子3D、奇目3D影像接收器的劑量值，見表9～10。平均值對比，見圖5。

表9 西門子3D影像接受器的劑量值

表10 奇目3D影像接受器的劑量值

圖5 三維掃描影增/平板接收劑量對比

（3）結果分析：西門子3D、奇目3D病人皮膚吸收劑量，見表11～12。從表中可以看出奇目的3種掃描方式病人所吸收的累積劑量均要高于西門子2種掃描方式的累計劑量，其柱狀圖顯示，見圖6。

表11 西門子3D病人皮膚吸收平均劑量

表12 奇目3D病人皮膚吸收平均劑量

圖6 三維掃描患者皮膚劑量柱狀圖

2.3.3 三維成像圖像對比

2.3.3.1 三維圖像對比

（1）目的：骨科術中最新的是骨科C形臂技術，2種C型臂從X線采集次數，以及采集角度均有差異，所以最終獲取到的三維斷層圖像結果亦不相同。以東芝CT圖像為標準，使用相同圖像軟件對比西門子和奇目3D的圖像效果。

（2）設置：采用模仿人體的盆骨體膜，分別用東芝CT還有西門子和奇目3D進行拍攝，并得到三維重建圖像。盆骨體膜采用前后位放置。西門子的3D采用的是西門子3D高圖像質量掃描拍攝模式，奇目3D采用的是3D脊柱模式。這樣，西門子的3D得到100幅投照圖像，256幅重建斷層圖像，奇目的3D得到110幅投照圖像，256幅重建斷層圖像。分別導入至第三方影像分析軟件“imageJ”，進行瀏覽。分析的時候，我們分別從CT、西門子、奇目重建的圖像中選取了一幅部位相近的盆骨斷層圖像作為對比（圖7～9）。

圖7 16排螺旋CT橫斷面圖像

圖8 西門子三維斷層橫斷面

圖9 奇目三維斷層橫斷面

（3）結果分析：由圖7～9可見，奇目機器重建圖像可以見到比較明顯的重建偽影，但是西門子機器重建出來的圖像上沒有這樣的偽影。原因可能是因為奇目的機器重建數據缺失導致的，因為奇目機器軌道掃描度數只有135°，而西門子的機器有190°。所以從西門子的機器中，可以得到更多的數據，這樣重建出來的圖像就會更準確。還有一個情況可以說明產生這樣偽影的主要原因是由于數據量不足：我們用工程師模式使用西門子做135°的3D高圖像質量掃描，同樣得到有偽影的圖像。

2.3.3.2 在imageJ工具上采用對比分析三維圖像的信噪比[8]（圖10～11）

（1）目的：我們選擇圖像的均勻區域，計算圖像的信噪比，信噪比越高說明信號中的噪聲越小。

（2）操作：每張圖上各選3個區域來計算圖像的信噪比。圖像里面的Mean就是我們所選區域（框起來的部分）的像素的平均值即信號，StdDev就是所選區域像素的均方差。SNR = mean/StdDev（表13）。

圖10 西門子圖像用imageJ所得圖像數據

圖11 奇目圖像用imageJ所得圖像數據

表13 通過軟件得出圖像的參數

（3）結果分析：從表13可以看出，西門子的均勻區域的信噪比要比奇目的信噪比好很多，而且奇目不同區域的信噪比不穩定，西門子要穩定得多。說明奇目重建出來的圖像質量要比西門子重建圖像的質量略差。這有可能是由于算法或者掃描方式的原因造成的。

3 總結

X線平板技術是影像學快速進展的趨勢，西門子3D與奇目3D相比，從二維采集、三維采集，以及劑量、臨床應用流程來說各有優勢[9]。

3.1 射線劑量對比

根據對比內容，在整體對比三維成像劑量、二維成像劑量、三維成像病人皮膚劑量、二維成像病人皮膚劑量的結果是：奇目平板的成像劑量均高于西門子影像增強器。

分析原因：① 平板材料不同，晶體對于X射線的吸收會有差異，因此X射線越多，所獲取圖像的質量會越好。② 此兩種不同設備上自動曝光模式的控制和反饋原理不同，可能會造成劑量差異。

3.2 圖像質量對比

兩種設備的二維圖像質量各有優點，但奇目3D在三維斷層圖像的臨床應用對比上不是很理想，掃描圖像會有偽影。

分析原因：① 奇目3D的三維采集角度比西門子3D的采集角度小，因而重建后的圖像會產生較多的噪聲和偽影。② 可變等中心的采集技術，是需要通過3個方向的運動才能實現三維采集，在C形臂多方向運動過程中序列采集圖像，可能會存在運動偽影，從而造成三維重建的斷層圖像偽影。

通過我們對西門子3D和奇目3D的劑量與圖像質量的測試對比，為臨床工作者更好地使用設備提供了比較充分的數據支持。劑量方面：手術醫生在臨床使用中能夠更清晰地了解設備的射線劑量情況，從而做好對臨床工作者和患者的保護措施。圖像質量：由于設備的技術差異，圖像質量會有不同。手術醫生能夠根據手術情況選擇性地使用設備，從而達到更好的設備使用效果。

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Comparative Study on Orthopedic 3D C-arms

HAN Qian1,2，CHEN An-yu1
1. College of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China; 2. Department of Medical Equipment, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing 100035, China

This paper focuses on two orthopedic 3D C-arms with different acquisition principles and imaging technologies used in our hospital. Detailed comparative study is performed on two 3D C-arms from the hardware, image quality and dose control parameters, which provides technical support for clinicians to make better use of the equipment.

3D C-arm; 3D scanning; infrared-guided system; dose control

TH774；R68

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.059

1674-1633(2013)05-0152-05

2013-01-25

2013-02-06

本文作者：韓乾，首都醫科大學生物醫學專業研究生，北京積水潭醫院 設備科助理工程師。

陳安宇，教授，碩士研究生導師。

作者郵箱：Jerryhan2001@liye．cn