兒童骨齡DR檢查手腕部正位透射靶球管曝光參數優化選擇

趙英威，倪曉龍，王文海，程曉光

北京積水潭醫院 放射科，北京 100035

引言

骨齡，即骨骼發育的年齡[1]，廣泛應用于司法、醫療、體育等涉及評估兒童青少年生長發育的領域[2-4]。近年來我國社會飛速發展，人民生活水平有了大幅度提高，生活習慣及飲食結構有了較大的改變，中國青少年兒童的骨發育明顯加快，公共衛生領域對青少年兒童的發育情況也愈發關注[5]，為調查我國現階段青少年兒童的營養與健康狀況，中國疾病預防控制中心營養與健康所和北京積水潭醫院共同合作了科學研究項目——《中國0～18歲兒童營養與健康系統調查與應用》。其首要任務是收集來自中國七大地理區域、28個采樣點0～18歲青少年兒童的骨齡標準片。骨齡影像檢查方法很多，如X線和MR[6-7]，且人體多個部位可用于骨齡評估[8]，但目前臨床上仍以左手左腕正位X線片為骨齡評估的主要方法[9-11]。依賴于各醫院中的固定式大型DR設備，不能滿足本次科研采樣地點廣、樣本數量大的需求，因此我們希望設計一款專用于兒童左手左腕X線正位片的照相機，該設備應同時具備便于攜帶、足夠封閉、輻射劑量低、圖像質量好的特點。為此，我們與上海黛美醫療科技有限公司合作研發出了一種新型低劑量便攜式X射線機成像系統（圖1），主要由便攜式X射線機和配套的計算機系統構成，X射線機采用幾乎全密封的箱體，采集圖像時被檢者只需將手伸入箱體下方的覆以鉛簾的開口處即可，在箱體外幾乎檢測不到輻射劑量，避免身體其他部位不必要的暴露。該設備體積小，可裝至箱中托運，非常便捷。為了減少輻射劑量同時保證圖像質量，我們對該設備進行了嚴格測試，并對兒童手腕部正位攝影曝光參數進行了優化，現將研究報道如下。

圖1 XBone便攜式X射線機成像系統外觀（正側面）

1 材料與方法

1.1 試驗設備

（1）上海黛美醫療科技有限公司研發的XBone便攜式X射線機成像系統，透射靶X射線球管。碘化銫+非晶硅結構的無線平板探測器，型號為750cw。

（2）2.5 cm厚亞克力板一塊和大齡兒童的手腕部干裸骨一段。

（3）Raysofe X射線劑量測試儀，探頭χ2R/F Sensor SN:201087，溯源至上海市計量檢測科學研究院（2018.3.17），校準因子接近1。

1.2 方法

利用2.5 cm厚亞克力板和大齡兒童手腕部干裸骨做被照體（圖2），攝影距離（Source Imaging Distance，SID）固定為70 cm不變，分別改變kV和mAs進行曝光。每次曝光時，同時監測輻射劑量，并記錄實際顯示的曝光參數和輻射劑量值。對獲得的每幅圖像不做任何后處理（圖3），統一調出在一個顯示屏面上，按照優、良、差三級進行評價。以解剖結構尺橈骨遠端、腕骨、掌指骨的骨骺和骨紋理顯示的清晰程度為評價指標。清晰顯示為優，基本清楚顯示為良，隱約可見為差。統計并評估優質圖像所對應的曝光參數值并結合輻射劑量值進行優化選擇，確定出理想曝光參數范圍。再以參與研發的成員及其家屬的小孩做志愿者進行攝影驗證。

圖2 手腕部干裸骨攝影示意圖

圖3 手腕部干裸骨X線正位影像

1.3 統計學處理

采用SPSS 21.0軟件進行分析，分類變量采用例數和頻率[n (%)]表示，分類變量組間比較采用確切概率法，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像評價等級統計結果

在管電壓為60、65、70、75和80 kV的條件下分別將管電流數值設定為100、200、300、400和500 μA，固定曝光時間為500 ms，比較不同曝光參數下測得的入射劑量及對應圖像的評價等級，其統計結果如表1所示。

表1 不同曝光參數下測得的入射劑量及對應圖像的評價等級統計結果

2.2 管電壓、管電流與圖像質量的關系

表2為不同管電壓下圖像質量的分布情況，可以看出當管電壓設置為70 kV或75 kV時，得到的優質圖像最多，均為3幅，但通過確切概率法分析結果發現：管電壓不同，圖像質量之間無顯著差別，P=0.525。表3為不同管電流下圖像質量的分布情況，可以看出當管電流位于300、400、500 μA時，可獲得最多的優質圖像和較少的差圖像，通過確切概率法分析結果發現：管電流不同，圖像質量之間有顯著差別，P=0.015。

表2 管電壓與圖像質量之間的相關關系

表3 管電流與圖像質量之間的相關關系

2.3 優質圖像的參數設置

根據表1的結果選取了9幅優質圖像，并分別列舉這9幅圖像所設置的曝光參數和測得的入射劑量（表4）。當曝光條件為80 kV，0.10 mAs時，測得的入射劑量最低，僅7.085 μGy；將曝光參數設置為75 kV，0.25 mAs時，測得的入射劑量則有13.77 μGy，為這9次曝光中的最高值。總體而言，被檢者獲得優質圖像的平均輻射劑量為9.795 μGy。

表4 9幅優質圖像與所選曝光參數kV、mAs和入射劑量之間的關系

2.4 驗證

根據表4統計的曝光參數平均值、獲得優質圖像的概率以及輻射劑量的大小，結合設備實際曝光參數調節功能，設定70～75 kV、0.15～0.25 mAs為優選出的最佳曝光參數范圍，對五名志愿者兒童的左手腕部進行了實際拍照，獲得的5幅圖像均為滿意，見圖4～5。

圖4 9歲女孩手腕部正位像

圖5 10歲女孩手腕部正位像

3 討論

XBone便攜式DR系統是專門用于兒童骨齡檢查手腕部正位攝影的X射線機，與常見的DR設備不同，該機配置的是透射靶X射線球管，其結構特點、物理參數與反射靶球管相比有很大區別[12-14]。反射靶球管的陽極為鎢，焦點形態為方形，標稱焦點常見有1.2（大）、0.6（小）、0.3（微），有效焦點面的分布存在足跟效應[14]，應用的主要是連續射線。該機透射靶球管的陽極為鉭，焦點形態為圓形，標稱焦點0.25，有效焦點投影面的分布為離心性的對稱拓展，不存在陽極效應。微焦點決定了它的固有空間分辨率高[15]，X射線管輻射劑量分布情況明顯好于反射式[14]，為提高影像空間分辨率奠定了基礎。本研究通過用線對方卡對透射靶球管測試，目視達到4.3 LP/mm。透射靶球管陽極靶面很薄，靶的厚度減小，同時造成產生X射線的強度不足[16]，散熱能力差，它的功率較低，目前僅有40 W。應用的主要是特征射線，對厚部位攝影受到限制，有待今后提高。

通過對該機曝光參數的優化選擇，確立了兒童腕部正位最佳曝光參數范圍，即SID為70 cm時，管電壓70～75 kV（平均73 kV），曝光量0.15～0.25 mAs（平均0.20 mAs），此時測得的皮膚入射劑量為 7.127～13.77 μGy（平均 10.301 μGy）。此平均劑量值是臧桂霞等[17]報道的嬰幼兒胸DR攝影平均入射體表劑量（48 μGy）的五分之一；是常規DR腕關節攝影條件（45～50 kV，2 mAs）的入射體表劑量（40 μGy）的四分之一。這樣低的曝光量，完全可以用于兒童骨齡的普查。

眾所周知，放射技術對SID的設定必須遵循兩個基本原則，一是圖像放大率必須小于10%，二是圖像產生的半影必須小于0.2 mm。鑒于兒童腕部厚度均小于50 mm，球管焦點為0.25 mm，SID設定為70 cm，足以滿足上述基本原則。

本研究優選出的曝光參數之所以能得到較低水平的輻射劑量，主要是因為成像能譜的不同。常規的DR系統使用的是反射靶X線球管，陽極靶面為鎢金屬，而本研究使用的是透射靶X線球管，陽極靶面為鉭金屬，兩者產的X線能譜不同，反射靶球管是以連續輻射為主，透射靶球管是以特征輻射為主。特征輻射是高速電子擊脫靶物質原子的內層軌道電子，外層軌道電子躍遷而產生的一種放射方式。特征放射的X線光子能量與沖擊靶物質的電子能量無關，只服從于靶物質的原子特性[18]。鉭的原子序數是73，與鎢74相鄰，要想使鉭產生特征輻射，管電壓必須達到65 kV以上。我們優選出的曝光參數管電壓設定為70～75 kV，其高速電子完全可擊脫鉭靶物質原子的內層軌道電子，產生特征放射。鉭的特征輻射強度：11、22、33、44、100 keV，50～60 keV為峰值，鉭的能譜圖如圖6所示。

圖6 鉭的特征輻射能譜圖

決定感光效應的3大要素kV、mAs和SID[19]，也就是決定曝光量的3要素。對于特征輻射而言，當kV和SID固定時，決定曝光劑量的因素就是mAs。因此，使用這類設備時，在選擇曝光參數的思路上需要改變以往隨著被檢部位厚度的增加而提高管電壓的觀念。依據這一理論指導，在實際應用時，一般將管電壓固定在75 kV，再根據手腕部體厚適當調節mAs。又因該機曝光時間固定為500 ms，故只有通過改變管電流的方式來改變mAs。根據本文優化的結果，建議在300、400、500 μA三檔中調節管電流。截至目前，已利用上述曝光條件檢查了超過6000例骨齡受檢者，均獲得了滿意的圖像質量。

本文主要介紹了一款全新的專用于兒童骨齡檢查的便攜式X射線機成像系統，其推薦使用的曝光條件是：管電壓75 kV，曝光時間500 ms，再根據被照手腕部體厚在300、400、500 μA三檔中調節管電流。此條件下被照部位的皮膚入射劑量為 7.127～13.77 μGy（平均 10.301 μGy），做到了在保證圖像質量的前提下盡可能地降低輻射劑量，是一種非常理想的X線成像設備。但其仍存在產生X射線的強度不足、散熱能力差、功率低、厚部位攝影受到限制等缺陷，有待今后提高。