骨科三维C形臂的性能对比研究

1.首都医科大学 生物医学工程学院，北京 100069；2.北京积水潭医院设备科, 北京 100035

骨科三维C形臂的性能对比研究

韩乾1,2，陈安宇1

1.首都医科大学 生物医学工程学院，北京 100069；2.北京积水潭医院设备科, 北京 100035

本文结合我院所使用的两款不同采集原理及成像技术的三维C形臂，从设备的硬件、图像质量、剂量控制参数等方面对这两种三维C形臂进行详细地对比性研究。为临床能够更好地使用设备提供技术依据。

三维C形臂；三维扫描；红外导航系统；剂量控制

0 前言

随着科技的进步，现在医院的骨科用X线机种类繁多，从普通的X线机、移动式C形臂X线机，到近几年发展起来的三维C形臂，使X线设备在手术中发挥着越来越重要的作用。随着X线成像技术的发展，现在的X光成像系统在功能、影像质量与成像速度上都有了显著的改进，进一步改进了手术室中复杂外科手术的临床工作流程。

我院使用骨科三维C形臂与红外导航系统配合完成红外线主动诱导计算机辅助三维导航手术[1]，这种手术方式能让外科医师以细到mm的精确度，实时根据病人的解剖情况，确定手术器械的位置。通过三维C形臂重建病人病灶的三维结构，术者能够直观看到病灶的具体情况，有效缩短手术时间，大大提高外科手术的精确性。

1 我院骨科三维C形臂系统介绍

1.1 西门子ARCADIS Orbic 3D

1999年，德国西门子公司生产了世界上第一台可以进行术中即时三维影像重建的电动C形臂系统—ISO 3D系统。该设备在设计上除去了中央主轴与C形臂轨道旋转轴之间的机械分叉，实现等中心、电缆内置滑环设计，采用步进电机设定C形臂的自动连续轨道向旋转角度，C形臂自动连续旋转190°采集100幅数字图像，并同步自动重建三维图像。之后西门子推出新一代的ARCADIS Orbic 3D，进一步改善图像分辨率、采集时间、软件后处理等功能。

1.2 奇目 Vision FD Vario 3D

2003年德国奇目公司推出了可变等中心（非等中心）的移动C形臂—Vario 3D，该设备在普通机械轨道向运动的C形臂基础上实现135°轨道向可变等中心，采集110幅数字图像，并重建三维图像。2007年奇目推出平板三维C形臂Ziehm Vision FD Vario 3D。本文对比的是Ziehm Vision FD Vario 3D平板C臂。

2 西门子三维C形臂和奇目三维C形臂临床应用对比

对比设备：我院骨科应用的西门子三维C型臂（Siemens ARCADIS Orbic 3D）（简称西门子3D）和奇目三维C型臂（Ziehm Vision FD Vario 3D）（简称奇目3D）两种设备。测试工具：Unfors Xi R/F dose mete 剂量仪。2.1 mm 的X线滤过铜板。CNR体模：IBA全能型图像质量测试体模。测试体摸：盆骨体模。

2.1 设备情况对比

（1）主机组成均由移动式C形臂、移动式台车及监视器构成。设备的主要部件对比，见表1～3。

表1 主要部件对比

表2 相关参数对比

（2）X线二维成像探测器参数对比，见表3。

西门子3D 采用9英寸影像西门子增强器（23 cm），奇目3D采用瓦里安19.8 cm×19.8 cm平板探测器。

表3 成像探测器参数对比

2.2 二维X线及图像系统对比

2.2.1 二维成像模式对比

西门子3D和奇目3D都具备连续透视、脉冲透视、数字点片DR。二维X线及图像系统对比，见表4。

表4 各种模式参数对比

2.2.2 X线二维成像剂量测试对比

（1）目的：测试对比二维成像过程中，影像增强器及病人皮肤剂量率。随着X线机应用越来越广泛,使得手术工作者在工作中接受X射线的辐射机会大大增加[2]。若机体在较长时间内连续或间断受到X射线照射且达到一定剂量时，会引起以造血组织损伤为主的放射性损伤，甚至导致白血病等病变。在这种发展趋势下，医用电离辐射给医护人员造成机体损伤的潜在危险愈来愈受到重视。所以，通过这次测试能够让医务工作者更直观地了解射线强度[3]。

（2）设置：准直器完全打开，达到最大成像视野；放置2.1 mm Cu模体在球管管套表面；放置剂量测试仪在影像增强器或平板的边缘，但是测试仪始终在X线曝光区域。

（3）采集：测量8 f/s脉冲透视模式下，影像接受器的剂量值，分别测试3组，对比结果，见表5。

表5 8帧/s脉冲透视模式下影像接受器的剂量值

根据平方反比定律公式，推算出病人的皮肤剂量：

公式(1)中：K1是离焦点d1距离测量点的剂量/剂量率，K2是离焦点d2距离测量点的剂量/剂量率。

估计距离病人皮肤图像受体是40 cm。源像距SID（Source Image Distance）奇目系统是d1=111 cm，西门子系统是d1=98 cm。所以奇目系统d2=71 cm，西门子系统d2=58 cm。病人皮肤剂量可以从公式(1)计算出，对比结果，见表6。

表6 病人皮肤剂量对比

（4）结果分析：二维成像剂量对比，以平均值计算，奇目比西门子的探测器剂量大约高出184.4%，病人皮肤剂量大约高出143.4%，柱状图对比，见图1～2。

图1 影像接受器的剂量值对比图

图2 病人皮肤吸收的剂量值对比

2.2.3 X线二维成像效果测试对比

（1）目的：C形臂在手术室中的二维成像是最常见的应用，并且在很多微创手术的开展对X线的投照及引导的要求很高，X线的成像效果尤为重要，并且两台设备的成像系统和二维成像参数均有所区别[4]，所以通过使用CNR体模进行测试空间分辨率，灰度动态范围，低对比度分辨率对比等。

（2）设置：准直器完全打开，达到最大成像视野；放置CNR测试工具（图3）在影像增强器或平板的中央。

图3 CNR体摸

图4 单张CNR体摸的X线图片

（3）采集：分别测量连续透视（图4），数字透视模式下，获取的CNR工具的图像进行读数，分别测试3组以上，对比结果，见表7～8。

表7 连续透视模式对比

表8 数字DR透视对比

（4）结果分析：从各模式检查对比表中我们可以看出，西门子的灰度动态范围要优于奇目，因为从体模上可以分清更多数目的灰阶。低对比度分辨率西门子也略好一些。而在放大模式0级（即无放大情况）空间分辨率奇目要优于西门子，这是由于两者成像原理不一样，奇目是平板成像，而西门子是影像增强器成像。但是我们看到再放大模式1中西门子的空间分辨率有明显的提高，原因是影像增强器是物理放大，而平板是电子放大[5]。

2.3 三维X线及图像系统对比

2.3.1 三维扫描方式对比

西门子3D 具备2种模式：高图像质量扫描、标准图像质量扫描；奇目3D具备3种模式：小儿骨科模式、躯干四肢模式、脊柱模式。

2.3.2 三维成像剂量对比

（1）目的：在三维采集不同的模式下，以及不同曝光次数，所产生的曝光辐射剂量均是二维多角度、多频次曝光的剂量累积[6-7]。所以需要判断两种设备在旋转采集二维序列图像的累积剂量是否存在差异，因此，测试对比三维成像过程中分别采用不同模式的累计剂量和采集时间，并在每种模式下采集3次。

（2）设置：测量西门子标准采集50次190°曝光标准模式，高清模式100次190°曝光高质量模式；奇目3种135°扫描模式：小儿骨科、躯干四肢模式、脊柱模式。将准直器完全打开，达到最大成像视野；放置2.1 mm Cu模体在球管管套表面；放置剂量测试仪在影像增强器或平板的边缘，但是测试仪始终在X线曝光区域。

影像增强器/平板的剂量值，分别测试3组以上，西门子3D、奇目3D影像接收器的剂量值，见表9～10。平均值对比，见图5。

表9 西门子3D影像接受器的剂量值

表10 奇目3D影像接受器的剂量值

图5 三维扫描影增/平板接收剂量对比

（3）结果分析：西门子3D、奇目3D病人皮肤吸收剂量，见表11～12。从表中可以看出奇目的3种扫描方式病人所吸收的累积剂量均要高于西门子2种扫描方式的累计剂量，其柱状图显示，见图6。

表11 西门子3D病人皮肤吸收平均剂量

表12 奇目3D病人皮肤吸收平均剂量

图6 三维扫描患者皮肤剂量柱状图

2.3.3 三维成像图像对比

2.3.3.1 三维图像对比

（1）目的：骨科术中最新的是骨科C形臂技术，2种C型臂从X线采集次数，以及采集角度均有差异，所以最终获取到的三维断层图像结果亦不相同。以东芝CT图像为标准，使用相同图像软件对比西门子和奇目3D的图像效果。

（2）设置：采用模仿人体的盆骨体膜，分别用东芝CT还有西门子和奇目3D进行拍摄，并得到三维重建图像。盆骨体膜采用前后位放置。西门子的3D采用的是西门子3D高图像质量扫描拍摄模式，奇目3D采用的是3D脊柱模式。这样，西门子的3D得到100幅投照图像，256幅重建断层图像，奇目的3D得到110幅投照图像，256幅重建断层图像。分别导入至第三方影像分析软件“imageJ”，进行浏览。分析的时候，我们分别从CT、西门子、奇目重建的图像中选取了一幅部位相近的盆骨断层图像作为对比（图7～9）。

图7 16排螺旋CT横断面图像

图8 西门子三维断层横断面

图9 奇目三维断层横断面

（3）结果分析：由图7～9可见，奇目机器重建图像可以见到比较明显的重建伪影，但是西门子机器重建出来的图像上没有这样的伪影。原因可能是因为奇目的机器重建数据缺失导致的，因为奇目机器轨道扫描度数只有135°，而西门子的机器有190°。所以从西门子的机器中，可以得到更多的数据，这样重建出来的图像就会更准确。还有一个情况可以说明产生这样伪影的主要原因是由于数据量不足：我们用工程师模式使用西门子做135°的3D高图像质量扫描，同样得到有伪影的图像。

2.3.3.2 在imageJ工具上采用对比分析三维图像的信噪比[8]（图10～11）

（1）目的：我们选择图像的均匀区域，计算图像的信噪比，信噪比越高说明信号中的噪声越小。

（2）操作：每张图上各选3个区域来计算图像的信噪比。图像里面的Mean就是我们所选区域（框起来的部分）的像素的平均值即信号，StdDev就是所选区域像素的均方差。SNR = mean/StdDev（表13）。

图10 西门子图像用imageJ所得图像数据

图11 奇目图像用imageJ所得图像数据

表13 通过软件得出图像的参数

（3）结果分析：从表13可以看出，西门子的均匀区域的信噪比要比奇目的信噪比好很多，而且奇目不同区域的信噪比不稳定，西门子要稳定得多。说明奇目重建出来的图像质量要比西门子重建图像的质量略差。这有可能是由于算法或者扫描方式的原因造成的。

3 总结

X线平板技术是影像学快速进展的趋势，西门子3D与奇目3D相比，从二维采集、三维采集，以及剂量、临床应用流程来说各有优势[9]。

3.1 射线剂量对比

根据对比内容，在整体对比三维成像剂量、二维成像剂量、三维成像病人皮肤剂量、二维成像病人皮肤剂量的结果是：奇目平板的成像剂量均高于西门子影像增强器。

分析原因：① 平板材料不同，晶体对于X射线的吸收会有差异，因此X射线越多，所获取图像的质量会越好。② 此两种不同设备上自动曝光模式的控制和反馈原理不同，可能会造成剂量差异。

3.2 图像质量对比

两种设备的二维图像质量各有优点，但奇目3D在三维断层图像的临床应用对比上不是很理想，扫描图像会有伪影。

分析原因：① 奇目3D的三维采集角度比西门子3D的采集角度小，因而重建后的图像会产生较多的噪声和伪影。② 可变等中心的采集技术，是需要通过3个方向的运动才能实现三维采集，在C形臂多方向运动过程中序列采集图像，可能会存在运动伪影，从而造成三维重建的断层图像伪影。

通过我们对西门子3D和奇目3D的剂量与图像质量的测试对比，为临床工作者更好地使用设备提供了比较充分的数据支持。剂量方面：手术医生在临床使用中能够更清晰地了解设备的射线剂量情况，从而做好对临床工作者和患者的保护措施。图像质量：由于设备的技术差异，图像质量会有不同。手术医生能够根据手术情况选择性地使用设备，从而达到更好的设备使用效果。

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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：韩乾，首都医科大学生物医学专业研究生，北京积水潭医院 设备科助理工程师。

陈安宇，教授，硕士研究生导师。

作者邮箱：Jerryhan2001@liye．cn