仿真滤线栅及图像增强后处理算法用于改善儿童低剂量X 线片图像质量

薛丽荣，王中秋，李 姝，杨 明，郭 斌，荀 冲*

（1.南京中医药大学附属医院放射科，江苏 南京 210000；2.南京医科大学附属儿童医院放射科，江苏 南京 210008）

后处理算法包括仿真滤线栅（SimGrid， SG）、图像增强（S-Enhance， SE）等，可在提高影像图像质量的同时减少辐射剂量［1-3］。临床工作中，X 线摄影常用于诊断儿科疾病［4-5］，使得基于后处理算法降低辐射剂量尤为重要。本研究观察SG 及SE 用于改善儿童低剂量X 线片图像质量的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2022 年1 月—12 月南京医科大学附属儿童医院344 例重症监护病房患儿资料，男177 例、女167 例，年龄0～14 岁、中位年龄4.2 岁（表1）；共接受410 次床旁X 线检查，获得290 幅胸部平片、51 幅腹部平片及69 幅胸腹联合平片。本研究经院伦理委员批准；检查前患儿监护人均签署知情同意书。

表1 344 例患儿年龄及体质量分布

1.2 仪器与方法 采用Samsung GM85 移动数字X线摄影机，配备1 mm 铝和0.1 mm 铜儿童标准滤过器。使患儿仰卧，摄胸部平片（中心线对准T6 胸骨角水平，上缘为肩部以上3 cm，下缘为肋膈角，管电压45～80 kV，曝光量1.2～5.0 mAs）、腹部平片（中心线对准剑突与耻骨联合连线中点，上缘为横膈，下缘为耻骨联合，管电压50～80 kV，曝光量2.0～5.0 mAs）或胸腹联合平片（中心线对准T1与耻骨联合连线中点，上缘为肩部以上3 cm，下缘为耻骨联合，管电压50～80 kV，曝光量2.5～5.0 mAs），记录曝光时间（exposure time， ET）、剂量面积乘积（dose area product， DAP）、视野（field of view， FOV）和曝光指数（exposure index， EI）。将所获原始图像以DICOM 协议分别输入SG 和SE 软件进行后处理，获得2种后处理图像（图1、2）。

图1 男性患儿，8 岁，体质量25 kg，肺炎，SG 后处理流程

图2 女性患儿，2 岁，体质量11 kg，心脏介入治疗后，SE 后处理流程

1.3 图像质量评价 由分别具有10 年和15 年经验的儿科放射学主治和副主任医师各1 名，根据图像噪声、对比度，以及肌肉、骨骼、气体、气管、血管、异物（包括留置支持装置）显示是否清晰等对后处理图像进行评分：0 分，原始图像质量优于后处理图像；1 分，原始图像与后处理图像质量相同；2 分，后处理图像质量优于原始图像。

1.4 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件，利用广义估计方程（general estimating equation， GEE）模型，以OR评估不同参数与图像质量的相关性。以OR分析观察者间评估结果的差异。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2 名医师评估结果差异无统计学意义［OR=1.01（95%CI0.93，1.12），P＜0.05］。

2.1 SG 后处理 410 幅SG 后处理图像中，250 幅2分，147 幅1 分，13 幅0 分。290 幅胸部平片中，2 分182幅（182/290， 62.76%）、1 分 102 幅（102/290，35.17%）、0 分6 幅（6/290，2.07%）；51 幅腹部平片中，2 分28 幅（28/51，54.90%）、1 分21 幅（21/51，41.18%）、0 分2 幅（2/51，3.92%）；69 幅胸腹联合平片中，2 分40 幅（40/69，57.97%）、1 分24 幅（24/69，34.78%）、0 分5 幅（5/69，7.25%）。SG 显示骨骼、气管、外周血管、异物、腰大肌和肠道气体质量较佳（P均＜0.05），见表2。

表2 SG 改善儿童低剂量X 线片质量的效能

经SG 后处理，＜0.5 岁（OR=0.46）、≥0.5 岁且＜1 岁患儿（OR=0.86）低剂量X 线片图像质量无明显改善（P均＞0.05），1～4 岁［OR=4.48（95%CI2.09，7.93）］、5～9 岁［OR=8.35（95%CI1.77，42.51）］和10～14 岁者［OR=67.24（95%CI31.51，376.32）］显著改善（P均＜0.05）；≥10 kg 患儿X 线片图像质量均显著改善［OR=8.31（95%CI1.64，47.87），P＜0.05］，而＜10 kg 者无明显改善（OR=0.39、0.65、0.57，P均＞0.05）；管电压大于70 kV［OR=33.79（95%CI11.65，105.32）］、曝光量 2～3 mAs ［OR=58.14（95%CI21.33，178.56）］、DAP＞5 cGy/cm2［OR=21.05（95%CI3.78，121.34）］、EI＞500［OR=13.44（95%CI2.68，75.32）］时，SG 后处理图像质量更佳。见图3。

图3 男性患儿，8 岁，体质量26 kg，肺炎，床旁X 线胸片（管电压69.6 kV，曝光量4.0 mAs，DAP 4.51 cGy•cm2，EI 345.50） A.原始图像； B.SG 后处理图像

2.2 SE 后处理 410 幅SE 后处理图像中，250 幅2 分，58 幅1 分，102 幅0 分。290 幅胸部平片中，2 分177 幅（177/290，61.03%）、1 分32 幅（32/290，11.03%）、0 分81 幅（81/290，27.93%）；51 幅腹部平片中，2 分32 幅（32/51，62.75%）、1 分11 幅（11/51，21.57%）、0 分8 幅（8/51，15.69%）；69 幅胸腹联合平片中，2 分41 幅（41/69，59.42%）、1 分15 幅（15/69，21.74%）、0 分13 幅（13/69，18.84%）。SE 显示骨骼、气管、大血管、外周血管、心脏后血管和异物的能力较佳（P均＜0.05），见图4和表3。

图4 女性患儿，2 岁，体质量14 kg，先天性室间隔缺损介入治疗后，胸腹联合片（管电压69.6 kV，曝光量4.0 mAs，DAP 3.91 cGy·cm2，EI 376.78） A.原始图像； B.SE 后处理图像

表3 SE 改善儿童低剂量X 线片质量的效能

经SE 后处理，＜0.5 岁患儿低剂量X 线片图像质量无明显改善（OR=2.00，P=0.20），≥0.5 岁者均显著改善［OR=21.10（95%CI5.67，91.32）、29.71（95%CI7.12， 65.33） 、36.12 （95%CI10.92，105.23）、44.67（95%CI15.33，204.14），P均＜0.05］；≤4 kg 患儿X 线片图像质量无明显改善（OR=1.53、1.78，P均＞0.05），＞4 kg 者明显改善［OR=3.24（95%CI1.12，7.87）、4.17（95%CI1.76，11.25）、12.15（95%CI4.54，81.35）、18.82（95%CI7.21，76.64）、21.12（95%CI7.21，104.75），P均＜0.05］。

3 讨论

X 线摄影对诊断儿科疾病、监测留置装置及术后复查均有重要作用［6］，但具有电离辐射危害，且散射线可降低图像质量［7］。滤线栅装置虽可减少散射线，但因其吸收一部分原发射线而需要更高辐射剂量［8］。

SG 是基于散射网络深度学习算法的模拟滤线栅软件，已利用样本量大于30 000 的数据集进行预训练和优化［7］，能以预估散射辐射模式对输入原始图像进行补偿，在减少原始射线量的基础上保证图像质量，并获得类似于带滤线栅的图像［9］。临床［2］及体模研究［9］结果均显示SG 组图像评分高于对照组，且图像质量与传统滤线栅组相似。但临床摄X 线片时一般仅对身体前后径＞12 cm 者采用滤线栅处理［10］，而对SG 可否用于无法接受滤线栅处理的患儿尚存争议。

本研究针对上述问题进行探索，结果显示SG 可改善部分患儿床旁低剂量X 线片图像质量，特别是年龄≥1 岁和体质量≥10 kg 者；可能儿童年龄及体质量较大时，摄片时产生的散射线亦较多，而SG 可通过估算散射线而滤除多余射线并对图像进行预估补偿。本研究发现，SG 改善显示骨骼、气管、外周血管、异物、腰大肌和肠道气体的能力更为突出，提示对射线散射明显的组织，SG 散点估算补偿运算能力可有效减少其所造成的图像衰减而提高图像质量。

行床旁X 线检查时多采用低剂量摄片，给保证成像质量带来一定困难。SE 可通过模拟增加插入射线而达到增强球管发射射线的效果，经由优化图像细节及对比度［11］而得到类似高剂量的图像质量。 本研究24.88%（102/410）经SE 后处理图像质量低于原始图像，可能原因在于SE 比SG 更注重模拟增强原始射线量，使得散射线增加而增加图像噪声；其对年龄≥0.5岁、体质量＞4 kg 者改善较明显，可能由于此类儿童原始图像质量较好，无需模拟增加原始射线量。既往研究［12］指出，SE 可显著提高胸部X 线片显示异物能力。本研究发现SE 提升床旁低剂量X 线片显示儿童骨骼、气管、大血管、外周血管、心脏后血管和异物的效能较佳，特别是异物（OR=136.11）和骨骼（OR=34.92），可能此二者造成射线衰减能力较强，而SE 可通过模拟增加原始射线量而降低图像衰减程度。

本研究的主要局限性：①为单中心回顾性分析，仅针对年龄和体质量划分区间，而不同年龄段及体质量区间患儿样本量差异较大；②仅观察后处理算法对图像质量的改善效果，而未涉及辐射剂量。

综上所述，SG 可显著改善床旁低剂量X 线片显示年龄≥1 岁和体质量≥10 kg 儿童骨骼、气管、外周血管、异物、腰大肌和肠道气体，而SE 可改善其显示年龄≥0.5 岁和体质量＞4 kg 儿童骨骼、气管、大血管、外周血管、心脏后血管和异物的质量。

利益冲突：全体作者声明无利益冲突。

作者贡献：薛丽荣查阅文献、撰写文章；王中秋和杨明指导；李姝图像分析；郭斌数据分析；荀冲修改和审阅文章。