如何更好降低C形臂的辐射剂量?

2022
05/06

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医工研习社
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一台好的C形臂,通过优化设计可以有效降低病人剂量和医护人员受到的辐射照射剂量。

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大家都知道,X射线辐射对人体有伤害,国家的法规也规定了接触X射线的工作人员属于“放射从业人员”,但是很多医院的骨科大夫和手术室的护士及麻醉科医生并没有被当作“放射从业人员”,因此也没有接受相应的培训,也没有获得合适的防护。 

一台剂量低的C形臂对于中国的医护人员来说尤其重要,之前的文章介绍过射线防护,以及怎么使用C形臂以实现更低的辐射。

今天,我们不聊使用,只谈C形臂的低剂量相关设计。 

1、什么是剂量

剂量用来评价X射线数量,X射线机常用发射剂量来表示,是X射线让空气电离的能力;对于人体伤害来说,常用当量剂量来是反映各种射线或粒子被吸收后引起的生物效应强弱。简单的说,发射剂量越大,吸收剂量越大。

在C形臂X射线机的标准中规定了C形臂必须提供射线剂量、剂量率和DAP的指示。

下面解释一下:

剂量率:用来表征射线强弱   

累计剂量:用来表征射线的累计数量,等于剂量率乘以时间

剂量区域面积积(DAP):这是累计剂量乘以照射面积

有了剂量率和累计剂量,为什么还需要DAP这个参数呢?

我们做个比喻:房顶上有两个大小不同的洞,阳光照进来,阳光的强弱就是剂量率,乘以照射时间就是累计剂量。因此,从两个大小不同的洞照射进来的阳光剂量率和累计剂量都是一样的。但是,两束大小不同的阳光对房间的加热效果是不同的,面积大的阳光加热多。

同样,在X射线领域也引入了照射面积的概念,就用DAP来表征照射人体的射线总数。而病人的DAP又和医护人员受到的辐射照射紧密相关。 

2、病人剂量和医护剂量的关系:医护人员受到的辐射照射并不是直接来自X射线机,而是来自主射线束穿过病人时产生的二次射线(杂散射线)。

下图来自GE公司的晶智C形臂手册

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图中等剂量线是在1米高度、90kVp、25cm x 25cm x 25cm PMMA模体测量的杂散射线图。单位是(μGy/Gyxcm2),图中的数字 1,2,4,8,16就是当病人DAP为1Gy*cm2时,病人周围的杂散射线数值,单位为μGy。

3、减少剂量的设计

从第二节的图上可以看出,医护人员受到的射线剂量和病人的DAP紧密相关,要减少医护人员受到的辐射,就必须要减少病人DAP,而DAP=剂量率 x 曝光时间 x 照射面积,要减少病人的DAP和医护人员受到的辐射,必须从剂量率、曝光时间和照射面积上下手。

01 降低剂量率

很多C形臂中都配置了可拆卸滤线栅和可拆卸铝滤过,把滤线栅拿掉可以将剂量降低2倍左右,把铝滤过加上能将射线变得更硬,可以降低病人剂量。

对于同一台C臂机来说,好的图像意味着高的剂量不同厂家采用的硬件和图像算法不同,相同的剂量却可以获得不同的图像质量。如果探测器更好,采用更高级的算法,那么获得相同的图像质量时所需的剂量更低,这就可以降低剂量。

 1、可拆卸滤线栅和铝滤过

滤线栅用来滤除射向探测器的杂散射线,同时也会吸收部分有用射线导致剂量增加,病人病灶部位越厚,杂散射线越多,越需要滤线栅。在儿童做手术时,由于儿童躯干比较薄,因此杂散射线比较少,拿掉滤线栅后对图像质量也没有什么影响,但是剂量会大幅度降低。同理,成年人的四肢手术也可以拿掉滤线栅来降低剂量。

为了保护儿童,利用儿童躯干小的特点,还可以增加3.3mm铝滤过(或0.1mm铜)来滤除软射线,不影像图像质量却可以有效降低病人剂量。

对于设计工程师来说,只要把滤线栅和附加3.3mm铝滤过设计为可拆卸,就可以给医生提供一个大幅度降低剂量的手段,非常有价值。

2、更硬的射线

增加铝滤过可以有效降低剂量,原理是让射线更硬,软射线更少,也就是让有用射线的比例变高。除了加铝滤过外,还有两个方法让射线变得更硬: 

一个是让kV纹波更小,但是现在的C形臂都是高频机,因此大家的纹波都差不多在2%-3%,没有什么方法进一步提高了。

还有一种办法是优化kV-mA曲线

下图是一个仿真曲线,在80kV下模拟皮肤入射剂量(蓝色)和穿透人体(20cm水模体)后的达到探测器的剂量(橙色)。

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可见,射线的效率是非常低的,图中只有0.63%。设达到探测器的剂量为1uGy,那么病人皮肤入射剂量为158.4uGy。

如果将kV设置为70kV,设达到探测器的剂量仍然为1uGy(获得相同图像质量),那么病人皮肤入射剂量为206.8uGy,比80kV下的剂量高了23%。

下图是两种kV-mA曲线,蓝色的是高kV 低mA,红色是低kV 高mA。根据上述仿真,高kV低mA曲线的剂量会更低。

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仿真软件:spekcalcV1.0

条件:钨靶、5mm Al、80kV、20cm 水模体。

3、先进的图像处理算法

在C形臂上常见的图像处理算法有递归降噪、边缘增强、ADRO、GDRM等等。最近看到FDA 网站上公开了一份关于C臂的文件,文件里说道该C臂用到了增强的降噪算法Enhanced Noise Reduction。厂家已经宣传以15kW功率可以达到30kW的图像质量,也就是可以用更低的剂量获得相同的图像质量。

当然了,越高级的图像处理算法对CPU的计算需求就越大。现在有了GPU后,计算量就不是事了,成本会更贵一些。

4、更好的探测器

C形臂的探测器经历了影像增强器、非晶硅平板探测器和CMOS平板探测器三个阶段,影像增强器处于逐渐淘汰的阶段,两大影像增强器厂家之一的Thales就已经宣布未来将停产影像增强器。

非晶硅平板探测器最早是在2000年用在大C上,在大C上完全替代了笨重的影像增强器。但是在移动C形臂上推广非常慢,有的厂家在2006年就推出了基于非晶硅平板探测器的移动C,直到2012年每年在全球也就卖几十台。原因图像质量比影像增强器差,还贵很多很多。

最近几年,随着国产动态非晶硅平板的推出,将非晶硅平板价格大幅度拉低。尽管图像质量不是非常好,但是也不是不能用,价格不算太贵,因此在国际国内市场上的销量也开始上涨。

而CMOS探测器由于低剂量DQE好,在腰椎侧位图像上优势很明显,是未来的趋势。因此几大厂家都推出了基于CMOS探测器的C形臂。CMOS探测器和非晶硅探测器相比的唯一缺点就是贵。

由于CMOS探测器灵敏度高,信噪比高,因此,使用CMOS探测器的C形臂剂量会比非晶硅平板C形臂低。

02 缩短曝光时间

对于用户来说,缩短曝光时间来降低剂量的方法很好理解,踩脚踏的时间短点剂量肯定就低,但是图像也会变差。

从设计角度来缩短曝光时间是不能牺牲图像质量的。

现在,绝大部分C形臂都会有自动亮度控制功能,其实是自动控制管电压(kV)和管电流(mA)来调节剂量的大小,从而得到合适亮度的图像在C形臂行业标准YYT0744-2018中,明确要求透视图像亮度稳定时间不得大于2秒。在影像增强器C形臂中,这个稳定时间受到增强器的局限,很难提高。这两秒钟的稳定过程中,大部分都是在调节,如果在没有稳定的时候就停止曝光,图像就会偏亮或偏暗。

开机第一次曝光的自动调节会偏长,后续的自动调节是基于上次曝光的kV mA值去调节,因此会快很多。部分厂家的C形臂,由于是模拟控制或继承下来的算法,每一次曝光都是从最低kV开始调节,导致每一次自动调节过程都很长。

CMOS探测器用到C形臂后,可以充分利用探测器的动态范围大的特点,在最初的几帧图像中获得病人厚度信息,然后快速的计算需要的kV 和mA。这种方法可以将调节时间从2秒缩短到0.2秒,从而大幅度降低剂量。

03 减少照射面积

减少照射面积可以通过选择放大模式,使用限束器来实现,这些都是用户使用时的技巧,从设计工程师的角度有什么方法呢?

平板探测器都是方形的,出来的射线图像也是方形的,大部分的平板C臂的图像也是方形的。厂家普遍都认为医生关注的是图像的中心区域,对四个角的图像都不太关注。

因此,很多厂家把病人信息、参数和剂量信息放在方形图像的四个角上,见下图。

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既然四个角的图像信息用处不大,那么把四个角的射线遮挡住,射线会少多少呢?

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这么简单一遮挡,射线照射面积就可以减小10%,也就是病人DAP可以减少10%,医护人员受到的辐射照射也可以减小10%。

4、总结

上面介绍了从降低剂量率、缩短曝光时间和减小照射面积来降低剂量的方法,包括设计可拆卸滤线栅和可拆卸铝滤过;选择高kV 低mA策略;设计好的图像处理方法;选择低剂量DQE更高的CMOS探测器;设计更快的自动kV调节方法;设计圆方图像等。

由此可见,一台好的C形臂,通过优化设计可以有效降低病人剂量和医护人员受到的辐射照射剂量。

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关键词:
图像,病人,剂量,探测器,射线

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