移动式小C臂X光机的技术进展

2018-01-30王艳芹李雪英王振光

中国医疗设备 2018年5期

王艳芹，李雪英，王振光

1.青岛大学附属医院核医学科，山东青岛 266003；2.单县中心医院放射防护科，山东菏泽 274300

引言

1895年，伦琴在做真空管高压放电实验中，意外地发现了一种不可见的、具有很强穿透能力的射线，他将这个性质不明的射线叫做X射线；随后为其夫人拍摄了手的照片，成为世界上第一张X线照片。1896年，研制出了第一支X线管[1]；从此，各种X线设备相继出现，标志着放射医学的开始。医用X光机已经历了一百多年的发展历程[2]，移动式小C臂X光机亦经历了半个多世纪的发展，现凭借其便携、实时的优势成为手术中图像引导不可或缺的设备，在医院诊疗过程中发挥了十分重要的作用[3]。

医院普通X光机都是隔窗工作方式，而移动式小C臂X光机是近台操作，电离辐射、机械故障可能给患者及医护人员带来不同的伤害。随着公共放射防护安全意识的提高，移动式小C臂X光机的图像质量、剂量辐射等方面逐渐受到更多的关注。近年来，随着电子技术、计算机技术、智能技术的发展，移动式小C臂X光机在优质图像、低剂量技术、人类工程学设计方面得到了较大发展[4]。

1 优质图像

20世纪30年代末至40年代初，早期的小C臂没有图像显示装置，只能采用手持式的荧光透视装置工作。随着影像增强器的问世，医用X线电视系统取缔了以往的暗室X线透视。由于它的电视图像亮度远远优于暗室荧光屏图像，很快成为影像医学领域中一种重要的图像显示方式。近些年来，全球几大生产移动式小C臂的公司逐步实现了从X射线发生、X射线检出、图像形成、图像处理到图像显示的优质图像形成系统。移动式小C臂图像质量得到较大提升。

X光机成像质量的一个关键性的参数是清晰度，影响清晰度的因素有很多，但其中有效焦点的大小是影响清晰度的一个重要参数。因为有效焦点越大，投影时所产生的半影也越大，而影像的边缘就愈模糊，这对疾病的诊断极为不利[5]。有效焦点越小，成像质量越高；但是焦点越小，瞬时负载功率越小。近几年来，用在移动式小C臂X光机上的固定阳极的X线管焦点都有两个，小焦点尺寸为0.5～0.6 mm，大焦点尺寸为1.4～1.8 mm，小焦点用于透视，大焦点用于拍片；旋转阳极的X线管焦点常用的小焦点为0.3 mm，大焦点0.6 mm。旋转阳极X射线管有效地提高了瞬时负载功率，还可适当减少靶面倾角，使有效焦点进一步减小。

影像增强器是射线实时成像的，把穿透人体的X射线转换为可见光，一旦停止曝光后图像就消失。为了进行图像处理，影像增强器需要与摄像系统配合，把图像拍摄下来转化为电信号进行处理。在二十世纪九十年代之前，医用X线电视设备都是采用传统的真空管式电视摄像技术；随着电荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）成像技术的问世及发展，国外各大公司，如东芝、西门子和飞利浦等都开始批量推出CCD医用X线影像增强器电视设备。早期的CCD摄像机都是普通电视制式的768×576，40万像素；现在用于移动式小C臂X光机上的CCD都是百万像素。40万像素的C形臂分辨率只有1.4 LP/mm（Line Pair, LP），而100万像素的C形臂分辨率至少能达到2.0 LP/mm。相比于真空摄像管，CCD摄取的图像具有更加丰富的灰度层次，图像保真度更高，从而获得较高的高清晰度影像[6]。

小C臂作为医学影像设备，其图像处理功能的强弱决定了图像质量。没有经过处理的透视图像噪声非常多，图像质量差。随着计算机技术的应用，数字图像处理就广泛地应用到小C形臂中。高级的图像处理器可以实现智能组织识别，实时选择最佳的亮度和对比度，实时智能实现边缘增强、聚焦和放大[7]等功能。

移动式小C臂X光机已经基本淘汰显像管监视器，绝大部分都采用了液晶显示（Liquid Crystal Display，LCD）监视器。医用LCD监视器分为彩色监视器和黑白监视器，彩色监视器亮度比较低，一般为250 cd/m2（cd-candela），特殊设计的可以达到600 cd/m2；黑白监视器大多都是高亮度和高对比度的，亮度可以达到700～1000 cd/m2，对比度可以达到900:1[8]。经过临床应用，发现在黑白监视器能看到的细节在彩色监视器上也能看到，因此医用LCD监视器不管是彩色的还是黑白的，都能很好的满足临床的需求。

近20年来，数字化成像设备取代了传统的屏胶成像模式，它的核心技术是平板探测器。平板探测器是一种精密和贵重的设备，对成像质量起着决定性的作用。主要有直接成像的非晶硒平板探测器和间接成像的非晶硅平板探测器。因受硬件设备的制约，噪声是数字化摄影图像的重要因素，除固有噪声外，散射噪声和热噪声等在图像中占有很大一部分比例。基于空间域、频率域和时间域的高度复合的图像增强算法，同时达到对比度增强和细节增强的目的，并在增强的同时抑制了图像中的噪声，在数字化X线图像应用中取得了明显的效果，有效地提高了图像质量[9]。

2 低剂量技术

X射线是一种电离辐射，人体长时间连续或间接接受超过课题限值的辐射可引起人体损害[10]，有可能提高癌症的发病率[11]。国际放射防护委员会提出，X射线检查应该遵循实践正当性与防护最优化的原则[12]，所以利用必要手段降低辐射剂量尤为重要[13]。近年来，应用于移动式小C臂X光机的低剂量技术有X射线球管的改进，曝光方式，图像采集方式的改变等，都有了较大的突破。

2.1 X射线球管的发展

离子X射线管（1895～1912年）是X射线设备的早期阶段，使用效率很低的含气式冷阴极离子X射线管，效率低，穿透力弱，缺乏防护，当时拍摄一张X射线骨盆像，需长达40～60 min的曝光时间，照片拍成以后，患者的皮肤被X射线烧伤。

随着电磁学、高真空技术及其他学科的发展，陆续诞生了电子X射线管、双焦点X射线管等，开始了X射线透视和摄影的应用。从此，X射线管逐步向大功率、小焦点和专业化方向发展，其结构不断改进，先后出现了固定阳极、旋转阳极以及各种特殊X射线管[14]。一般来说，小于5 kW的X射线管阳极采用固定阳极，大于5 kW的采用旋转阳极。旋转阳极X射线管，可以通过较大的管电流，而且可以缩短曝光时间，减少医生和患者的辐射量，得到越来越广泛的应用。

在C形臂中，大多采用一体化球管，也称组合机头，把球管和高压发生器集成在一个油箱中，由于高压发生器会产生热，为了提高一体化球管的长时间工作能力，有部分厂家在油箱上外加了水冷循环。对于高压发生器来说，频率越高，高压纹波越小，软射线越少，也就是对患者的伤害越小。

为了消除X射线管钨沉积层的影响，近年来生产了一种金属陶瓷大功率旋转阳极X射线管，把普通旋转阳极X射线管的玻璃壳更换为金属和陶瓷组合而成，金属和陶瓷之间的过滤采用铌，用铜焊接，消除了玻璃壳那种由于钨沉积层所致X射线管损坏的危险，可以将灯丝加热到较高的温度，提高了X射线管的负荷。东芝MDX-8000A多功能C形臂采用的瓦里安旋转阳极三焦点金属壳X射线管[15]，可在低管电压条件下使用较高的管电流，增强射线穿透性，从而缩短患者辐射时间，减少辐射剂量。

2.2 曝光模式

移动式小C臂X光机具有透视功能和胶片拍片功能，由于它的拍片功率比最普通的200 mA机器都小，并且随着DR（Digital Radiography）的普及，模拟拍片已经逐渐退出了。现在的移动式小C臂在大多数医院只是在手术室做透视用。

小C臂的常见曝光模式有连续透视、自动曝光控制和脉冲透视。连续透视模式延续了传统的X射线成像的原理，诊断过程中连续的X射线照射，使得作为敏感器件的影像增强器能够及时或动态地连续反映被照物体的变化和移动，同时，医患人员承受的辐射剂量相应较大[16]。

自动曝光模式是有一个缺省的kV、mA，机器会自动根据采集到的图像亮度和预置的亮度作比较，经过运算控制后实时输出新的kV、mA调节，反复多次后使图像亮度达到预设亮度后kV、mA不再变化，保持恒定输出。在这个调节过程中的X射线对患者是没有多大用途的，增加了患者和医护人员的辐射伤害。

现在的移动式小C臂X光机大多采用脉冲透视。传统意义上的脉冲透视是通过控制X射线发生器间断地工作，在射线发生期间使显示图像持续刷新，间断期间利用影像增强器内部的视频图像系统保持和传送X射线间歇之前的最后一帧采集图像，从而获得较低的平均辐射剂量[17]。近年来，实现X射线脉冲透视的方法有多种。其中数字脉冲透视技术的应用越来越普遍，它是利用X射线管栅控技术形成具有几档脉冲率的数字化的脉冲透视。

相比于连续透视，脉冲透视的剂量可以大幅度降低[18]，GE公司生产的Brivo OEC 850做过对比，每秒脉冲数（Pulses Per Second，1 PPS）相当于1 s内有50 ms在曝光，1 PPS可降低95%的剂量，2 PPS可降低90%的剂量，4 PPS可降低80%的剂量，8 PPS可降低60%的剂量，并且国家食品药品监督管理局有评估报告称，OEC 850最低辐射剂量率达到0.067 µGy/s，相比于普通透视模式下国标的要求0.88 µGy/s降低了很多。在脉冲透视的临床应用中，选择的脉冲率越低，曝光剂量越小，医患人员受辐射的剂量越少，但是影像连续性越差，伪影越重，不利于手术操作者观察器官或结构的影像，不同部位选择不同的脉冲率，做到降低辐射剂量与保证影像质量的统一。

2.3 图像采集方式

在X射线成像系统中，作为核心部件的影像增强器是在1948年研制，并于20世纪50年代问世。影像增强器是将不可见的X射线图像转换为可见光图像，并使图像亮度增强。基于X射线影像增强器而建立起来的医疗电视系统，大大降低了患者在诊断时所受的X射线辐射剂量[14]，所用的X射线剂量仅是直接摄影的1/10，为荧光板透视的1/50。

数字化X射线摄影，是上世纪90年代发展起来的X线摄影新技术，以其更快的的成像速度和更高的对比度分辨率等显著特点，成为X射线摄影技术的主导方向。数字平板移动式小C臂如：GE公司的OEC Miniview，西门子的Arcadis orbic 3D和奇目的Vision FD Vario 3D等都配置了全数字化平板探测器，相比于影像增强器，带人体信号的X射线直接作用于平板探测器，避免了信号转换中的损失，提高了X射线的利用率，成像速度大幅度提高[2]，获得所需图像信息的时间只需30～60 s，辐射剂量和辐射时间也随之降低。还有部分移动式小C臂X光机安装有智能软件，比如：智能曝光管理，就是在衡量患者剂量和图像质量上找到一种最佳的透视模式，在1 s内自动调整剂量，降低不必要的患者辐射剂量。此外，还有放射剂量的自动显示技术，尾帧图像自动存储功能等。

3 人类工程学设计

C形臂，因其外形类似于英文字母C，故被称为C形臂。移动式小C臂X光机是近台操作，工作过程对患者和医护人员易造成机械伤害。在20世纪60年代，为了适应各种不同的X线特殊检查而设计出C形管头支持装置，它的结构主要由支架、L臂（横臂）、C臂3部分组成。以支架结构不同，C臂有落地式和悬吊式之分。移动式小C臂多为落地式[19]。

小C臂机架比较重，运动较多，在支架上L臂（横臂）带动C臂绕水平轴转动，在L臂（横臂）的轨道上C臂可沿自身弧度绕虚拟球心转动。要体现它的灵活性和适应性，对其材料的要求比较高，具有材料轻，强度高，耐腐蚀，耐磨性好等特点，目前市场上大多运用铝合金，以6063居多[20]。2016年9月，GE OEC Elite Miniview面世，它的机械臂的设计灵感来源于航天飞机的太空臂，由复合碳纤维材料制成，在保证机械强度的同时，更兼顾了轻便灵活的特性。在它的机械臂上有5个轴，可以摆成任何想要的形态，可以折叠收起的C形臂，能为手术室节省70%的空间。近几年来，一体机的出现，就更体现了移动式小C臂的小巧便携，灵活性好，精度高，速度快，扫描范围广等特点[21]。GE公司生产的Fluorostar compact的和德国奇目Ziehm solo这两款一体机设备，发挥较大效能的是符合人类工程学的把手和刹车的制造工艺，另外还有精确的定位功能，C形臂的轨道和颅尾的旋转是由精确的摩擦力来控制平衡的，不需要频繁的启锁和解锁。

为了预防影像增强器压住患者，部分小C臂机的软件具有防碰撞功能，能自动计算某些部件有可能发生碰撞，自动预警；利用传感器感受周围物体的距离，自动实现将C形臂的运动速度降低或停止，并且在机架显示器上有报警闪烁提示[22]，更大程度上保证了患者的安全。

4 结束语

移动式小C臂X光机技术领域的快速发展，为临床医学实践带来了极大地好处，比如在泌尿外科手术中结石的寻找[23]、骨科手术中的广泛应用[24]等，减少了手术时间，提高了定位精确度，优化手术细节。但是对于经常需要进行正位和侧位的脊柱手术，移动式小C臂X光机就不能同时成像正位和侧位图像，需要更多的重新定位的时间。G形臂的出现，开创了手术实时定位的新纪元，但是G形臂的灵活性不如小C臂，只能沿着床的方向横向移动。现有移动式小C臂X光机都是二维影像，其影像都是多组织的重叠，图像易出现干扰。现在锥形束平板接收器的CT技术逐渐成熟，它是一种三维成像技术，具有放射剂量小、分辨率高、扫描时间短、精确度高的优点[25]。当球管和平板接收器在C形轨道上绕患者均匀旋转连续拍摄X光图像，形成连续的三维断层图像，其优势是二维C臂不可比拟的，这将是移动式小C臂X光机的一大进步。希望未来在优化移动式小C臂X光机扫描参数、发展影像迭代重建技术和新型屏蔽材料等方面探索出更多的造福于人类的方法[26]。

[参考文献]

[1] 黄祥国,李燕.医学影像设备学[M].3版.北京:人民卫生出版社,2016.

[2] 乔文,严惠民.X光机数字化的研究进展[J].光学仪器,2007,29(5):80-84.

[3] 储晓阳,柏彭开.床边X线机摄影公众辐射剂量计算及辐射防护评价[J].中国医疗设备,2017,32(3):89-92.

[4] 杨梅.GE OEC8800小C臂X光机特殊故障两例报告[J].生物技术世界,2016,(3):332.

[5] 林国辉.浅议医用X光机焦点的检测[J].上海计量测试,2007,34(4):25-26.

[6] 寇玉民,盛宏,金祎,等.CCD图像传感器发展与应用[J].电视技术,2008,32(4):38-39.

[7] 洪国慧.GE OEC9800 C型臂高频X线机故障分析两例[J].放射学实践,2012,27(5):573.

[8] 李海平,刘煜.监视器综述[J].广播电视信息,2010(5):104-105.

[9] 李利华,栾晓峰.基于空域，频域和时间域的复合图像增强方法[J].医疗装备,2018,(1):45-46.

[10] 胡建林.C形臂X光机在骨科手术中的应用及技术探讨[J].中国煤炭工业医学杂志,2011,14(4):511-512.

[11] 乔文,严惠民.CR系统的现状及进展[J].光学仪器,2007,29(4):79-83.