儿童胸部数字化X线摄影参数优化与成像质量探讨
引言
儿童在生长发育阶段，免疫系统尚未发育成熟，易患呼吸系统疾病。在放射检查中，儿童对射线的敏感程度高于成人，因此采取以摄片为主的原则[1]。由于儿童胸部体积和体重变化较大，使用比较单一的曝光参数，会引起摄影时曝光过度或曝光不足，虽然数字化X线摄影（Digital Radiography，DR）曝光宽容度较大，过高或过低的曝光量，有时通过后处理也能达到诊断要求，但过高的曝光量会影响患儿的身体健康，合适的曝光参数选择才是减低辐射剂量和提高图像质量的保证。本文试图通过对近似小儿胸部厚度和密度的模体进行DR摄影，优化摄影参数，在保证图像质量的前提下，减少小儿辐射剂量和重复摄影率。
1 资料和方法
1.1 临床资料
2017年8月到2018年3月期间，来我院行DR胸部检查的0～8岁的患儿，共计240人。小于2岁为前后位摄影，大于2岁均采用站立位摄影，大于3岁采用站立后前位摄影，所有摄影均选择正位影像。
1.2 仪器设备
采用美国锐珂公司DRX-Evolution DR成像系统；锐珂DRX-1无线非晶硅平板探测器（极限空间分辨率3.6 LP/mm）；中联RIS/PACS网络系统；巨鲨3 M专用竖屏；瑞典奥利科ALK-38高分辨率线队卡（0.6～5.0 LP/mm，20组线对），X线测试模体有机玻璃衰减块，尺寸用高×宽×深表示：10 mm×200 mm×200 mm和20 mm×200 mm×200 mm各4块。DR设备自带辐射剂量（DAP）仪，安装在X线管前方射线束通过处，DAP是暴露在受检者皮肤表面区域乘以表面入射剂量（dGy·cm2），是受检者吸收的辐射剂量的量度，常用于评估患者的有效剂量[2-3]。
1.3 设计方法
1.3.1 小儿胸部等效模体的确定
受到小儿胸部等效水膜研究[4]的启发，使用动物肺脏模拟人体肺组织，使用人体组织等效高级树脂（PMMA）来模拟人体胸部其他组织，通过对不同厚度PMMA衰减模体与动物肺组织进行组合，用来模拟不同年龄儿童胸部（图1）。对来我院进行检查的患儿采用设备厂家提供曝光参数，采用自动曝光AEC模式、中野电离室进行检查，记录照射野、摄影距离（SID）、毫安秒（mAs）、曝光时间（s）、DAP值，曝光指数EI。对衰减模体PMMA进行组合成10、20、30、40 mm，不同厚度模体分别与动物肺组织组合后，采用同样的曝光参数进行曝光，同样记录各项曝光参数。通过对患儿与模体曝光参数比对后，把曝光参数与不同年龄患儿平均胸厚接近的组合模体厚度，来等效小儿胸厚。把患儿分成与之相对应的四组，把组合后的不同厚度模体作为制定不同年龄段曝光参数的依据。
1.3.2 小儿胸部曝光参数的确定
分别对等效体膜进行曝光，kV值选择范围45～100 kV，采用自动曝光AEC、中野电离室曝光，记录各项参数。通过对曝光时间、曝光指数、辐射剂量以及图像分辨率合理选择kV值。分别对体膜使用确定后的kV值进行由低mAs到高mAs进行曝光，记录各项参数。通过对曝光指数、辐射剂量以及图像分辨率合理选择mAs值。最后综合模体空间分辨率、辐射剂量、图像质量以及小儿的生理特点，结合以往工作经验制定出符合小儿各年龄段的曝光参数。
图1 20 mm厚PMMA模体与动物肺组织组合后不同曝光条件下的X线影像
注：用20 mm厚模体为例说明用模体代替小儿制定曝光参数的依据如下。a. 采用60 kV、5 mAs曝光，EI为2081、空间分辨率为3.4 LP/mm、DAP为0.31 dGy·cm2，虽然图像中气管及分支清晰可见，图像对比好，但辐射剂量值大于2.5 dGy·cm2限值；b. 采用60 kV、1.2 mAs曝光，EI为925、空间分辨率为2.0 LP/mm、DAP为0.97 dGy·cm2，图像中气管可见，但分支模糊，图像对比下降，噪声增加；c. 采用60 kV、2.5 mAs曝光，EI为1687、空间分辨率为2.8 LP/mm、DAP为0.23 dGy·cm2；d. 采用65 kV、1.8 mAs曝光，EI为1453、空间分辨率为2.8 LP/mm、DAP为0.19 dGy·cm2。图1（c、d）图像中，气管及分支清晰可见，图像对比好，虽然曝光条件不同，但图像质量均可达到诊断要求，辐射剂量值均小于2.5 dGy·cm2限值，可以作为制定0.6～2岁小儿曝光参数依据，而图1（a、b）所示曝光参数不作为制定小儿曝光参数制定依据。
1.3.3 临床验证方法
选择2位主管技师参与本次实验，对前来我院行DR胸部检查的0～8岁的儿童，分成四个年龄段，每个年龄组各选取60名患儿，共计240人。分为2组进行检查，每组120名患儿。对照组使用设备厂家提供的曝光参数，观察组为本次实验后所获得的曝光参数。此次研究主要收集儿童胸部正位的图像，同时记录曝光时刻相应的辐射剂量DAP值。摄影时，尽量缩小照射野，包含患儿胸部边缘即可，做好对患儿和家属的防护。
1.4 图像质量评价
在检查结束后，选择2名副主任医师和1名副主任技师，在PACS网上对两组患儿的胸片图像进行分析，并根据《全国放射科QA、QC学术研究会纪要》制定的相关标准评选出其中的甲级片、乙级片、丙级片和废片，根据两组患儿胸片中肺内微细结构的清晰度对其图像质量进行评分，评估内容包括主要解剖标志及胸部解剖细节标准，具体包含气管、双肺纹理、椎体、心后和膈肌显示的清晰度、噪声和对比度5项，总分为5分。评分越高，表示图像的质量越好。最后对胸部摄影图像质量及辐射剂量进行统计学分析评价。
1.5 统计学分析
使用 SPSS 19.0统计软件对本次研究中的数据进行统计学分析，计量资料用均数标准差（ x-±s）表示，进行正态分布校正后采用t检验，计数资料用百分比（%）表示，采用χ2检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 小儿各年龄组等效模体的确定结果
不同厚度（10、20、30、40 mm）PMMA模体与动物肺脏组合后，分别与 0～0.5、0.6～2、3～5、6～8岁儿童（平均胸厚分别是：8.6、11.2、12.9、14.6 cm）曝光参数接近。把组合后的不同厚度模体作为制定不同年龄段曝光参数的依据。
2.2 曝光参数的优化结果
测得空间分辨率为2.8 LP/mm时，各模体分别为：10 mm模体DAP小于0.2 dGy·cm2时，最佳kV、mAs值为50 kV、1.8 mAs和55 kV、1.5 mAs；20 mm模体DAP小于0.25 dGy·cm2时，最佳kV、mAs值为60 kV、2.8 mAs和65 kV、2.0 mAs；30 mm模体DAP小于0.30 dGy·cm2时，最佳kV、mAs值为65 kV、3.6 mAs和70 kV、3.0 mAs；40 mm模体DAP小于0.35 dGy·cm2时，最佳kV、mAs值为70 kV、4.0 mAs；80 kV、3.2 mAs和90 kV、2.0 mAs（表1）。为了得到更加精准的mAs值，对以上不同厚度膜体确定的kV值保持不变，曝光量由低mAs到高mAs进行曝光（0.5～5 mAs），综合模体空间分辨率、辐射剂量、图像质量以及小儿的生理特点，结合以往工作经验制定出符合小儿各年龄段的曝光参数（表2）。
2.3 图像质量
与对照组患儿相比，观察组患儿DR图像质量的评分及甲级片率均较高，其重复摄影率较低，DAP值明显降低，其差异均具有统计学意义（P＜0.05)。详见表3。
3 讨论
X线摄影曝光条件的设定，应以投照标准中规定的受检者所允许接受的最大辐射剂量为限制，在保证图像质量的前提下，以尽量减少照射剂量为原则。Uffmann等[5]研究认为合理选择kV值和mAs与DR图像质量存在着密切的联系。胸部X线摄影，kV值设置的高、低不同，影像对比度产生机理也不同。低电压摄影时，影像对比度与不同组织间原子序数差别有关，肺脏与其他组织对比度指数差值较大，影像对比度大，影像层次不丰富。高电压摄影时，肢体对X线的吸收与组成物质的原子序数影响不大，而与物质的每克电子数和光子能量有关，肺脏与其他组织对比度指数差值较小，影像对比度小，影像层次丰富，可视范围增加。小儿胸部的生理特点脂肪软组织厚，膈肌位置较高，呼吸频率快，心率快，肺含气量低，天然对比不如成人等特点[6]。根据以上分析小儿不易采用高电压摄影，而低电压摄影时，为了不影像图像质量必然会增加mAs，同时会增加小儿的辐射剂量和延长曝光时间。通过本次实验可以看出婴幼儿可采用50～65 kV为最佳kV值，曝光量控制在2.5 mAs之内，曝光时间控制在5 ms之内。随着小儿年龄及体厚的增加，曝光参数随之增加，辐射剂量也进一步提高，根据小儿年龄和体重的不同把辐射剂量限制在一定范围内，对于发育较快，体厚、体重接近成人的儿童可以使用AEC技术。根据小儿生理特点，短时间曝光是摄影成功率的关键，根据长期工作经验，把曝光时间控制在10 ms以内，可以把小儿呼吸运动伪影降到最低，因此采用高毫安（630～800 mA)，可有效缩短曝光时间。2岁以上的小儿由于可以站立行走，易采用站立前后位摄影，增加摄影距离160～180 cm，减少影像放大概率。对于3岁以上小儿，易采用后前位摄影，使心脏靠近探测器，减少心脏的放大率，增加肺野的显示。本次实验可看出当空间分辨率在2.8 LP/mm左右时，虽然未达到探测器的极限分辨率3.6 LP/mm，摄影图像质量可完全达到诊断要求，随着mAs的增加，在一定曝光范围内可以提高图像空间分辨力[7]，图像质量也会有所提高，但辐射剂量会成倍增加，因此不建议为了追求更高的图像质量而忽略小儿的身体健康。
表1 极限空间分辨率达到2.8 LP/mm时各模体在DAP不同限值下的曝光参数值
注：曝光指数EI是由数字化图像接收器为每次曝光分配的特定于制造商的值，低于或高于正常值（1000～2000)，代表曝光不足或曝光过度。
(dGy·cm2)曝光指数EI空间分辨率(LP/mm)10 50 1.8 5 0.179 1611 2.8 10 55 1.5 3 0.156 1663 2.8 20 60 2.8 6 0.245 1654 2.8 20 65 2.0 4 0.227 1601 2.8 30 65 3.6 8 0.285 1646 2.8 30 70 3.0 5 0.276 1614 2.8 40 70 4.0 9 0.350 1637 2.8 40 80 3.2 7 0.322 1635 2.8 40 90 2.0 5 0.298 1648 2.8模体厚度(mm)管电压(kV)实测毫安秒(mAs)实测曝光时间(ms)DAP值
表2 0～8岁小儿不同年龄段的曝光参数
组别 平均胸厚(cm)滤线栅(用“+”，不用“-”)0～0.5岁 8.6 110 14×16 50～55 0.8～1.2 1～3 -0.6～2岁 11.2 110 16×18 60～65 1.8～2.5 3～5 +3～4 岁 12.9 150 18×22 65～70 2.5～3.0 3～6 +5～8 岁 14.6 180 24×30 70～90 1.8～3.5 3～8 +摄影距离(cm)照射野(cm×cm)管电压(kV)曝光量(mAs)曝光时间(ms)
表3 两组患儿检查结果对比
组别 例数(n)DR 图像质量评分( x-±s，分）甲级片率[n (%)]重复摄影率[n (%)]DAP( x-±s，dGy·cm2)对照组 120 3.95±0.17 82 (67) 6 (5) 0.43±0.20观察组 120 4.43±0.06 98 (82) 1 (0.8) 0.26±0.13 P值 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05
小儿摄影吸气像对小儿胸部摄片质量至关重要，患儿吸气末、呼气初，此时肺部含气量最多，对比度最好，横隔位置最低，肺野显示最佳。如果摄取的是呼气像，则肺部含气量进一步下降，对比度降低，同时横隔位置升高，纵隔增宽，不利于病变的显示，因此摄影时一定要把握好曝光时机。小儿呼吸以腹式呼吸为主，腹部起伏大，应仔细观察腹部起伏状况，当腹部鼓起时，吸气最充分，此时为曝光的最佳时机。对于不配合的患儿需要家属配合，固定头和四肢，对于能够配合的训练其呼吸，保障图像质量和一次成功率。
儿童尤其是低龄患儿处于生长发育期，细胞分裂更新速度和比例远高于成年人，对放射线敏感性亦高于成年人，年龄越小则风险越高[8-9]，摄片时应合理使用低剂量原则，在满足诊断要求的前提下尽可能地降低辐射剂量[10]。目前采取的措施主要包括：① 合理使用曝光参数，在保证图像质量的前提下降低kV和mAs值；② 合理使用AEC，使用AEC要灵活根据患者体位准确选择探测采样野，使感兴趣区位于探测野中心位置，达到正确曝光，小部位及不易准确选择AEC照射野时，应关闭AEC系统，选择个性化曝光。婴幼儿在X线摄影时，由于恐惧哭闹，身体扭动，不易将胸部完全覆盖电离室，导致曝光控制不稳定，容易造成图像清晰度差，重复摄影率高，故婴幼儿不宜使用AEC曝光模式[11-12]；③ 使用合理的照射野。在不影响摄影部位范围的前提下，应尽量减小照射野，把X射线束控制在摄影检查所需要的最小范围，照射野面积一般不超过照射部位面积的10%，同时使照射野边缘尽量远离敏感组织，并在照射野以外的部位用0.5 mm铅当量的铅橡皮遮盖，以进一步降低对患儿的X射线辐射[13]；④ 滤线栅的使用，为了克服康普顿效应引起的散射线，往往使用滤线栅，栅比越高，消除散射线的能力越强，但同时也增加了受检者的辐射剂量。有研究显示，使用滤线器摄影曝光量是不使用的2～6倍[14]，因此对于新生儿和几个月的小儿不建议使用滤线器；⑤ 附加滤过的合理使用。附加滤过是在X线管出口放置的一定均匀厚度的金属，通常附加滤过选用铝和铜，有研究显示在保证图像质量的前提下，使用附加滤过与不使用相比辐射剂量可减少42.54%～64.18%[15]；⑥ 防护用品的使用；⑦ 图像后处理软件的应用；⑧ 工作人员的责任心和技术水平。摄影时需要高度的责任心，并且在平时的工作中不断归纳总结，不断提高技术水平，使摄片质量不断提高。
考虑小儿对射线的敏感性，曝光参数的制定借助模体来实现。本次实验采用动物肺组织与X线衰减模体PMMA组合来模仿小儿胸部成像，由于模体与小儿胸部结构存在差异，同时受到模体厚度限制，因此本次实验曝光参数制定到8岁以内，8岁以上儿童身体发育变化较大，可参照儿童与成人制定合适的曝光参数。由于模体密度一致，与真实人体存在一定误差，采用自动曝光AEC实测曝光量略偏高与实际人体。本次实验数据只针对锐珂DRX-1无线非晶硅平板探测器，不同类型的平板探测器因为材料、结构、工艺的不同会造成量子探测效率和空间分辨率的差异[16]，曝光参数也会有所不同。总之，根据小儿年龄和体重的不同，制定不同的曝光参数是可行的，不但可以提高检查质量，而且可以有效降低小儿辐射剂量。
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