数字化胸部X射线摄影中铜滤过对受检者辐射剂量的影响

闵高瑜，李 鑫，赵 峰，何 伟，胡益斌

(南京医科大学第一附属医院临床医学工程处，南京 210029)

胸部X射线摄影是最常见和最经济的普通放射检查[1-4]，它是肺部、心脏和胸部骨骼异常的首选影像检查[5-6]。然而，在满足临床诊断需求的同时，胸部X射线摄影会给受检者带来电离辐射的风险[7-9]。

目前，国内学者对于降低X射线检查中受检者辐射剂量进行了一定程度的研究。袁颖等人[10]研究了管电压对辐射剂量和图像质量的影响,吴柯微等人[11]比较了不同扫描方式对胸部低剂量图像质量及辐射剂量的影响,袁颖等人[12]探索了螺距对胸部图像质量及辐射剂量的影响。诊断用X射线摄影装置在产生X射线过程中，会包含一部分波长较长的低能射线。这部分软射线不能帮助提高图像质量，反而会被人体吸收，增加受检者的辐射风险。被人体吸收的射线有可能造成受检者细胞凋亡或基因变异[1-2,13]。通过在X射线球管窗口增加滤过的方式，可以减少部分软射线，从而降低受检者的辐射剂量。因此，探讨附加铜滤过对辐射剂量的影响有其重要意义。本研究主要评估不同厚度的附加铜滤过对受检者辐射剂量和图像质量的影响。

1 材料与方法

1.1 数字化X射线摄影系统和模体

本研究采用的数字化X射线成像系统是西门子公司生产的一款多功能数字化医用X射线透视摄影系统，其型号为Luminos dRF Max。该系统包含有一块非晶硅碘化铯固态平板探测器，其尺寸为43 cm×43 cm，像素矩阵为2 880×2 880，像素大小为148 μm，图像采集灰阶为16 bit。

采用2.54 cm厚，20 cm×20 cm大小的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)作为测试模体[14-15]，数量总计12块。不同数量的PMMA模体组合，可以模拟不同厚度的人体组织。同时，采用0.375 mm厚，5 mm×5 mm大小的铜箔(纯度为99.98%)作为对比度测试模体，用以模拟病灶组织。

1.2 剂量检测仪和体表入射剂量

体表入射剂量的测量使用瑞典奥利科公司生产的一款专业级剂量检测仪，型号为比拉那(Piranha)。其采用固态探测器技术，无需温度气压修正，同时支持电离室技术。主机内置主动能量补偿，并采用紧凑坚固设计，支持背部散射保护技术。该检测仪于2020年7月8日进行计量校准，采集数据时在其使用有效期内。

图1展示了实验成像时的几何位置关系，球管焦点到平板的距离(source to image distance，SID)为150 cm，束光器窗口刚好覆盖PMMA模体。首先，将PMMA模体放置在检查床上，使其位于照射野的中央。同时将铜箔和剂量检测仪放置在其上表面，并保持剂量检测仪的探测器中心与射线中心重合。然后，选择系统自带的胸部后前位器官程序，设置管电压为90 kV，并采用小焦点技术和自动曝光控制(auto exposure control，AEC)技术。在不同PMMA模体的厚度(25.4～304.8 mm)下，分别采用0 mm(无附加铜滤过)、0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm的铜滤过进行摄影。每组摄影3次，依次记录体表入射剂量(entrance surface dose，ESD)，并借助第三方图像分析软件计算图像的对比度噪声比。

1.3 图像质量评估

传统的医学图像质量评估，主要由经验丰富的影像诊断医师进行打分实现。这种评价方法，容易受主观因素的影响，导致结果偏差大。为了避免这种弊端，本研究采用对比度噪声比(contrast to noise ratio，CNR)参数来评估图像质量，其结果更为客观和稳定[16-17]。CNR值越高，表明图像质量越好。公式(1)定义了CNR：

(1)

式中，Amean(Cu)和Amean(B)分别表示图像中铜箔和背景的像素均值，SD(Cu)和SD(B)分别表示图像中铜箔和背景的标准差。利用第三方图像分析软件ImageJ 1.8.0[18]，分别获取铜箔信号和周边相同面积的背景噪声的像素均值和标准差，带入公式(1)后，计算得到该图像的CNR值。

1.4 统计学分析

本研究采用统计分析软件SPSS Statistics 25.0，首先进行方差齐性检验，sig值>0.05就可认为方差齐性的假设成立。相同厚度PMMA模体下不同滤过的ESD值的比较采用ANOVA检验，两两滤过之间的ESD值的比较采用Bonferroni检验。当p<0.05时，认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 不同铜滤过对CNR的影响

表1和图2为不同模体厚度下，每一幅影像经第三方分析软件ImageJ 1.8.0计算得到的CNR值。由图2可见，在不同附加铜滤过(0.0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm)下，CNR值随PMMA模体厚度的增加(从25.4 mm开始，每次增加25.4 mm，直到304.8 mm)逐渐减小；在同一模体厚度条件下，CNR值基本保持不变。图3为不同铜滤过下的胸部X射线摄影图像质量比较。由图3可见，不同附加铜滤过下的胸部摄影图像质量几乎没有差异。

图3 0 mm(A)、0.1 mm(B)、0.2 mm(C)和0.3 mm(D)铜滤过下的4张影像Fig.3 Chest photography under 0 mm(A)，0.1 mm(B)，0.2 mm(C) and 0.3 mm(D) copper filters

表1 不同模体厚度下铜滤过对CNR的影响Tab.1 The influence of copper filtration onCNR under different phantom thickness

2.2 不同铜滤过对体表入射剂量的影响

表2和图4为不同模体厚度和不同铜滤过下的体表入射剂量。由表2可见，不同PMMA模体厚度和不同铜滤过下，体表入射剂量的差异具有统计学意义。由图4可见，在不同附加铜滤过(0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm)下，体表入射剂量随PMMA模体厚度的增加(从25.4 mm开始，每次增加25.4 mm，直到304.8 mm)逐渐升高。当无添加铜滤过时，在不同PMMA模体厚度下，体表入射剂量分别为0.012 mGy、0.022 mGy、0.037 mGy、0.071 mGy、0.118 mGy、0.202 mGy、0.355mGy、0.591 mGy、0.943 mGy、1.402 mGy、2.373 mGy、2.519 mGy。当添加铜滤过后，在不同PMMA模体厚度下，体表入射剂量均有一定幅度下降。当铜滤过为0.1 mm、0.2 mm和0.3 mm时，体表入射剂量分别下降24%～29%、33%～42%和39%～47%。

表2 不同铜滤过对体表入射剂量ESD的影响Tab.2 The influence of different copper filtration on the body surface dose

图4 体表入射剂量ESD随PMMA模体厚度的变化趋势Fig.4 The variation trend of the entrance surface dosewith the thickness of the PMMA phantom

3 讨论

当PMMA模体厚度增加时，CNR会随之减小，图像质量相应下降。这是因为物体厚度越大，有用线束穿透过程中衰减的越多，到达射线探测器的信号越小，同时散射线会随物体厚度的增加而增加，图像背景噪声也随之加大，最终导致图像的对比度噪声比降低，图像质量变差。在PMMA模体厚度不变的条件下，随着附加铜滤过的增加，图像的CNR值基本保持不变。这是因为铜滤过只吸收了低能射线，而这部分射线对成像没有帮助，所以不会影响图像质量。

当PMMA模体厚度增加时，体表入射剂量会随之增大，受检者的辐射吸收剂量也会相应增加。这是因为随着模体厚度的不断增加，穿透的射线量会减少。在AEC自动曝光控制的作用下，为了维持平板探测器的表面入射剂量，X射线发生装置会提高其辐射输出量。在PMMA模体厚度不变的条件下，随着铜滤过厚度的增加，体表入射剂量随之减小，受检者的辐射吸收剂量相应减少。这是因为线束中的低能X射线大部分被附加铜滤过吸收。

本研究的不足之处在于，使用的PMMA模体只能模拟人体脂肪和肌肉等软组织，并没有考虑胸部骨骼、肺、心脏等其它组织对实验结果的影响。需要在今后的研究中，使用更能真实反映人体胸部结构的仿真模体。同时，本研究的摄影模式采用了AEC一点式技术，管电压固定设置为90 kV。有关研究表明，管电压也会对图像质量和体表入射剂量产生影响[10]。在接下来的实验中，可以研究在不同的管电压条件下，铜滤过对图像质量和体表入射剂量的影响。此外，本研究使用的设备是西门子Luminos dRF Max数字化医用X射线透视摄影系统，对于其他厂家和型号的数字化摄影系统是否有相同的结果，有待进一步验证。

4 结论

本研究表明，在不同PMMA模体厚度下，图像质量不随铜滤过的增加而明显降低。另一方面，受检者体表入射剂量随附加铜滤过的增加有不同程度的减少。附加铜滤过越厚，体表入射剂量减少的幅度越大。当铜滤过为0.3 mm时，体表入射剂量最多能下降47%。然而，在AEC模式下，过多的铜滤过会增加球管的辐射输出量，进而影响其使用寿命。因此，在胸部摄影实践中，应当在球管和系统负载可承受的范围内，适当增加铜滤过，但建议一般不超过0.3 mm。这样既能保证图像质量，又可以有效减少受检者的辐射吸收剂量。