适用于应急医学救援的数字X射线摄影关键技术

郭境峰 詹李嘉 赵少武 汕头市超声仪器研究所股份有限公司 （广东 汕头 515041）

内容提要： 数字X射线摄影（DR）设备因具有应用范围广、经济简便等优点，在医学诊断中被广泛地使用，但传统的DR和超声在便利性、勤务性方面存在不足，限制了其在应急医疗救援中的普及。随着便携式DR的推出，DR在便利性、勤务性等方面得到非常大的提升，再结合超声及远程医疗、人工智能技术，为应急医学救援装备带来了新的发展方向。

随着时代发展，应急救援已成为一项全球性的课题[1]。数字X射线摄影（Digital Radiography，DR）设备具有应用范围广、经济简便等优点，在医学诊断中被广泛地使用[2]。在应急医疗救援的影像学检查中，DR具有广阔前景，DR对于诊断骨折脱位、气胸、血胸、胸腹腔游离气体均有明确的意义[3]。但传统DR在便利性、勤务性方面存在不足，限制了其在应急医疗救援中的普及，而便携式DR的推出，在便利性、勤务性等方面得到非常大的提升。文章结合传统DR的不足，探讨其在辐射防护、内部电源供电、油箱减重和设备防护等关键技术上的改进，探讨其在应急医疗救援中的应用空间。

1.传统DR在应急医学救援中的重要性和不足

1.1 便利性的不足

便利性上的不足主要体现在辐射伤害、供电条件和重量三个方面：①辐射伤害。是指X射线因其电离特征，累积到一定程度对人体健康造成伤害，这使得DR诊查一般需在防护室内进行，或对拍摄现场进行彻底清场，应急使用时会非常不便。②供电条件。主要是传统DR一般都采用市电供电，这在户外、野外应急场合很难得到满足。③重量。传统的DR是固定在防护室内，而移动式的DR，其重量一般也在100kg以上，难以适应户外、野外的应急场合。

1.2 勤务性的不足

勤务性的不足主要是体现在对恶劣自然环境的适应上，常规的DR和超声设备一般只考虑在正常环境中运行，未考虑高温、高寒、高原、高湿、高盐的恶劣环境，例如当低于零下30°C时，设备往往会性能下降，甚至无法运行。而应急救援所处的环境条件，很可能就伴随上述极端条件。

2.适用于应急医学救援的DR关键技术

为了让DR能更好地适用于应急医学救援，可针对上述不足采用辐射防护、内部电源供电、油箱减重和设备防护等关键技术进行改进。

2.1 辐射防护

2.1.1 低剂量成像增强

降低管电压、管电流、曝光时间即可降低DR的辐射剂量，但得到的信号也随之减弱。通过图像处理技术，提取图像中的有效信号进行增强，可在低剂量的条件下实现对四肢、腰腹和胸部等部位高质量成像，可满足100kg体重患者的临床需求[4]。图1是常规剂量和1/3剂量搭配成像增强在志愿者身上的拍摄成像效果对比。

图1 .常规剂量胸片与1/3 剂量成像增强的效果（志愿者173cm/75kg）

2.1.2 射线方向修正

X射线是一种特殊波长的不可见光，其在传播方向上具有光的特性。通过控制X射线的发射方向，减少散射到被检测对象四周的射线量，提高射线的有效利用率，就可以从源头上减少X射线的生成量，进而减少辐射剂量，见图2，修正以后焦点正前方以外区域的剂量都明显下降，焦点后方剂量低于2.5μSv/h的深绿色区域面积则明显增大。

图2 .X 射线方向修正前(左)后(右)的辐射剂量分布图

2.1.3 射线屏蔽/吸收

通过对射线发生器和限束器、探测器进行改造，可屏蔽和吸收掉散射到检测对象之外的射线。见图3，经过屏蔽/吸收改造之后，焦点正前方之外的区域的剂量率都进一步下降，在焦点后方1.5m和左右各45°位置上的剂量率均＜2.5μSv/h，按每年连续照射365d、每天连续照射24h的极端情况计算，对照国标的职业照射水平，远低于50mSv/年、略高于100mSv/5年的限值[5]。

图3 .屏蔽/吸收改造前后的辐射剂量分布图

2.2 内部电源供电

内部电源供电即使用设备内置的电池进行供电，在DR上要考虑宽电压、高功率、低损耗等要求。

电池一般可采用大容量、高放电倍率的电池组，并具有过流、过放等保护功能，可实现机头发射瞬间对大功率、高电流的电源要求；主变压器、球管灯丝变压器应依据电池组低电压的特点进行设计，以满足高达功率输出要求的同时确保kV、mA、mAs精度；电源控制可采用宽电压DC/DC模块电路，并按低损耗的要求进行各控制模块的设计，使设备在低电量时仍可稳定工作。

便携式DR采用内部电源供电时一般可在常温环境下拍摄高达数百次，即使在低温环境下仍可拍摄上百次[6]。

2.3 油箱减重

高压绝缘系统一般采用油箱的方式实现，该部件重量占比较大，对该部件进行改进可大大减轻整机的重量，故俗称油箱减重。

材料上可采用新型绝缘材料，再分析油箱内部高压电场的分布情况重新设计高压绝缘结构。经过改进的高压绝缘系统，可在满足稳定输出125kV的前提下，体积重量均减半，见图4。

图4 .减重前(左)后(右)的高压绝缘系统

经过油箱减重等各种改进后的DR机头重量可低至15kg以下，加上工作站电脑、平板探测器以及充电器、曝光手闸、遥控器等配附件和包装箱体（见图5），整套在35kg，可徒手运输，展开及撤收可由1人完成，必要时可以单兵作战，从而实现急救抢救快速X射线成像的位置前移[7]。

图5 .整套装备便携式DR

2.4 设备防护

2.4.1 设备密封性设计

设备密封性设计主要用于解决防水、防尘、防盐雾的问题，应急救援场景可能需要在长时间的雨淋、盐雾情况下工作，防护等级（Ingress Protection 65，IP65）以上的防护等级比较适宜（雨淋和防盐雾测试见图6）。

图6 .雨淋和防盐雾测试

密封性主要采用改进结构和在关键接口上采用高防基本器件的方式解决，对活动机构应采用动密封设计防止部件结构的卡死，在关键接口处应选用IPX5以上的器件防止接口进水进尘导致接触不良或损坏。

2.4.2 高低温和高原适应性设计

高低温度和气压的变化，会加速元器件中可能发生或存在的化学或物理反应，故障过程可能会加速，对电子元器件环境温度、湿度、温度循环等适应能力有更高的要求。

可通过采用宽温度宽气压范围的器件、部件提高设备的适应性，并结合温度检测控制，提高整机的适应性，使得设备能在-40～+46°C（见图7）、-400～5500m海拔的环境下正常工作（见图8）。

图7 .高温暴晒和低温冷冻环境测试

图8 .高原环境下正常拍片

良好的适应性可以在山地、沙漠、海洋、城市、乡村等多地域、多气候展开工作，形成能够全天候、全方位、全地域执行卫勤保障任务的能力[8]。

3.小结与展望

针对传统DR在便利性、勤务性方面存在不足，通过在辐射防护、内部电源供电、油箱减重和设备防护等关键技术上的改进，可以让DR在应急医疗救援中得到更好的应用。随着科技的进步和我国科研水平的提升，还有更多的技术能让DR在应急医疗中有更广阔的空间。

3.1 手持式DR及掌上彩超

应急医疗场景的医学影像检测目标更多是面向伤情而非疾病，在确保能排查伤情的前提下可以牺牲部分图像性能以进一步减少体积重量提高便利性。

将便携式DR改为手持式机头+10×12寸小平板探测器，如果再搭配重量仅为几百克的掌上彩超，DR工作站和彩超共用一个笔记本电脑阅片，再加上外包装和少量的备用电池，整套的总重量可以控制在10kg以内，见图9。

图9 .手持DR 超声样品

但缩减体积重量之后，DR的射线屏蔽/吸收工作会比较难实施，对手持机头进行过测试摸查（见图10），同等图像质量下的辐射剂量分布无法达到前文的水准，在实际使用时需更加严格控制使用频次以保护操作者的身体健康。

图10 .对手持机头测试摸查的剂量分布情况

3.2 智能辅助诊断

近年来深度神经网络等智能化技术的发展，使得医学影像也出现了许多智能（辅助）诊断，在应急场景中也是大有可为的，比如在DR图像上自动识别骨折（见图11），可以帮助现场救援人员减轻工作量、降低工作难度、减少疏漏。

图11 .智能识别骨折位置

但智能辅助诊断也存在一些问题，如：深度神经网络对图像样本有很大的依赖，而在应急场合采集图像不太现实，这影响了智能辅助诊断在应急方面的发展；另外，智能辅助诊断一直以来在责任与伦理存在较多的争议，相比在医院里的疾病诊断，应急场景下诊断结果的风险更大，智能诊断的责任归属会更加复杂[9]。

3.3 融合DR、超声以及信息化、智能化的应急现场伤情处理方案

DR和超声都是相对经济、轻便的医学影像设备，从便利性上看是目前唯二能随同救援人员到达应急救援现场的医学影像设备，在应用范围上看二者也能够覆盖大部分的创伤所需的医学影像检查[10]。

结合二者在医学影像上的优势，就能对伤员进行非常全面的伤情检查，再借助智能化和信息化技术，不仅能进一步提高检查效率，还能在现场完成伤情分类评级，或者将伤情检查情况快速传送到后方，以便于后方更好地确定收治方案、抢救伤员[11]。