赵英威，倪晓龙，王文海，程晓光

北京积水潭医院 放射科，北京 100035

引言

骨龄，即骨骼发育的年龄[1]，广泛应用于司法、医疗、体育等涉及评估儿童青少年生长发育的领域[2-4]。近年来我国社会飞速发展，人民生活水平有了大幅度提高，生活习惯及饮食结构有了较大的改变，中国青少年儿童的骨发育明显加快，公共卫生领域对青少年儿童的发育情况也愈发关注[5]，为调查我国现阶段青少年儿童的营养与健康状况，中国疾病预防控制中心营养与健康所和北京积水潭医院共同合作了科学研究项目——《中国0～18岁儿童营养与健康系统调查与应用》。其首要任务是收集来自中国七大地理区域、28个采样点0～18岁青少年儿童的骨龄标准片。骨龄影像检查方法很多，如X线和MR[6-7]，且人体多个部位可用于骨龄评估[8]，但目前临床上仍以左手左腕正位X线片为骨龄评估的主要方法[9-11]。依赖于各医院中的固定式大型DR设备，不能满足本次科研采样地点广、样本数量大的需求，因此我们希望设计一款专用于儿童左手左腕X线正位片的照相机，该设备应同时具备便于携带、足够封闭、辐射剂量低、图像质量好的特点。为此，我们与上海黛美医疗科技有限公司合作研发出了一种新型低剂量便携式X射线机成像系统（图1），主要由便携式X射线机和配套的计算机系统构成，X射线机采用几乎全密封的箱体，采集图像时被检者只需将手伸入箱体下方的覆以铅帘的开口处即可，在箱体外几乎检测不到辐射剂量，避免身体其他部位不必要的暴露。该设备体积小，可装至箱中托运，非常便捷。为了减少辐射剂量同时保证图像质量，我们对该设备进行了严格测试，并对儿童手腕部正位摄影曝光参数进行了优化，现将研究报道如下。

图1 XBone便携式X射线机成像系统外观（正侧面）

1 材料与方法

1.1 试验设备

（1）上海黛美医疗科技有限公司研发的XBone便携式X射线机成像系统，透射靶X射线球管。碘化铯+非晶硅结构的无线平板探测器，型号为750cw。

（2）2.5 cm厚亚克力板一块和大龄儿童的手腕部干裸骨一段。

（3）Raysofe X射线剂量测试仪，探头χ2R/F Sensor SN:201087，溯源至上海市计量检测科学研究院（2018.3.17），校准因子接近1。

1.2 方法

利用2.5 cm厚亚克力板和大龄儿童手腕部干裸骨做被照体（图2），摄影距离（Source Imaging Distance，SID）固定为70 cm不变，分别改变kV和mAs进行曝光。每次曝光时，同时监测辐射剂量，并记录实际显示的曝光参数和辐射剂量值。对获得的每幅图像不做任何后处理（图3），统一调出在一个显示屏面上，按照优、良、差三级进行评价。以解剖结构尺桡骨远端、腕骨、掌指骨的骨骺和骨纹理显示的清晰程度为评价指标。清晰显示为优，基本清楚显示为良，隐约可见为差。统计并评估优质图像所对应的曝光参数值并结合辐射剂量值进行优化选择，确定出理想曝光参数范围。再以参与研发的成员及其家属的小孩做志愿者进行摄影验证。

图2 手腕部干裸骨摄影示意图

图3 手腕部干裸骨X线正位影像

1.3 统计学处理

采用SPSS 21.0软件进行分析，分类变量采用例数和频率[n (%)]表示，分类变量组间比较采用确切概率法，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像评价等级统计结果

在管电压为60、65、70、75和80 kV的条件下分别将管电流数值设定为100、200、300、400和500 μA，固定曝光时间为500 ms，比较不同曝光参数下测得的入射剂量及对应图像的评价等级，其统计结果如表1所示。

表1 不同曝光参数下测得的入射剂量及对应图像的评价等级统计结果

2.2 管电压、管电流与图像质量的关系

表2为不同管电压下图像质量的分布情况，可以看出当管电压设置为70 kV或75 kV时，得到的优质图像最多，均为3幅，但通过确切概率法分析结果发现：管电压不同，图像质量之间无显著差别，P=0.525。表3为不同管电流下图像质量的分布情况，可以看出当管电流位于300、400、500 μA时，可获得最多的优质图像和较少的差图像，通过确切概率法分析结果发现：管电流不同，图像质量之间有显著差别，P=0.015。

表2 管电压与图像质量之间的相关关系

表3 管电流与图像质量之间的相关关系

2.3 优质图像的参数设置

根据表1的结果选取了9幅优质图像，并分别列举这9幅图像所设置的曝光参数和测得的入射剂量（表4）。当曝光条件为80 kV，0.10 mAs时，测得的入射剂量最低，仅7.085 μGy；将曝光参数设置为75 kV，0.25 mAs时，测得的入射剂量则有13.77 μGy，为这9次曝光中的最高值。总体而言，被检者获得优质图像的平均辐射剂量为9.795 μGy。

表4 9幅优质图像与所选曝光参数kV、mAs和入射剂量之间的关系

2.4 验证

根据表4统计的曝光参数平均值、获得优质图像的概率以及辐射剂量的大小，结合设备实际曝光参数调节功能，设定70～75 kV、0.15～0.25 mAs为优选出的最佳曝光参数范围，对五名志愿者儿童的左手腕部进行了实际拍照，获得的5幅图像均为满意，见图4～5。

图4 9岁女孩手腕部正位像

图5 10岁女孩手腕部正位像

3 讨论

XBone便携式DR系统是专门用于儿童骨龄检查手腕部正位摄影的X射线机，与常见的DR设备不同，该机配置的是透射靶X射线球管，其结构特点、物理参数与反射靶球管相比有很大区别[12-14]。反射靶球管的阳极为钨，焦点形态为方形，标称焦点常见有1.2（大）、0.6（小）、0.3（微），有效焦点面的分布存在足跟效应[14]，应用的主要是连续射线。该机透射靶球管的阳极为钽，焦点形态为圆形，标称焦点0.25，有效焦点投影面的分布为离心性的对称拓展，不存在阳极效应。微焦点决定了它的固有空间分辨率高[15]，X射线管辐射剂量分布情况明显好于反射式[14]，为提高影像空间分辨率奠定了基础。本研究通过用线对方卡对透射靶球管测试，目视达到4.3 LP/mm。透射靶球管阳极靶面很薄，靶的厚度减小，同时造成产生X射线的强度不足[16]，散热能力差，它的功率较低，目前仅有40 W。应用的主要是特征射线，对厚部位摄影受到限制，有待今后提高。

通过对该机曝光参数的优化选择，确立了儿童腕部正位最佳曝光参数范围，即SID为70 cm时，管电压70～75 kV（平均73 kV），曝光量0.15～0.25 mAs（平均0.20 mAs），此时测得的皮肤入射剂量为 7.127～13.77 μGy（平均 10.301 μGy）。此平均剂量值是臧桂霞等[17]报道的婴幼儿胸DR摄影平均入射体表剂量（48 μGy）的五分之一；是常规DR腕关节摄影条件（45～50 kV，2 mAs）的入射体表剂量（40 μGy）的四分之一。这样低的曝光量，完全可以用于儿童骨龄的普查。

众所周知，放射技术对SID的设定必须遵循两个基本原则，一是图像放大率必须小于10%，二是图像产生的半影必须小于0.2 mm。鉴于儿童腕部厚度均小于50 mm，球管焦点为0.25 mm，SID设定为70 cm，足以满足上述基本原则。

本研究优选出的曝光参数之所以能得到较低水平的辐射剂量，主要是因为成像能谱的不同。常规的DR系统使用的是反射靶X线球管，阳极靶面为钨金属，而本研究使用的是透射靶X线球管，阳极靶面为钽金属，两者产的X线能谱不同，反射靶球管是以连续辐射为主，透射靶球管是以特征辐射为主。特征辐射是高速电子击脱靶物质原子的内层轨道电子，外层轨道电子跃迁而产生的一种放射方式。特征放射的X线光子能量与冲击靶物质的电子能量无关，只服从于靶物质的原子特性[18]。钽的原子序数是73，与钨74相邻，要想使钽产生特征辐射，管电压必须达到65 kV以上。我们优选出的曝光参数管电压设定为70～75 kV，其高速电子完全可击脱钽靶物质原子的内层轨道电子，产生特征放射。钽的特征辐射强度：11、22、33、44、100 keV，50～60 keV为峰值，钽的能谱图如图6所示。

图6 钽的特征辐射能谱图

决定感光效应的3大要素kV、mAs和SID[19]，也就是决定曝光量的3要素。对于特征辐射而言，当kV和SID固定时，决定曝光剂量的因素就是mAs。因此，使用这类设备时，在选择曝光参数的思路上需要改变以往随着被检部位厚度的增加而提高管电压的观念。依据这一理论指导，在实际应用时，一般将管电压固定在75 kV，再根据手腕部体厚适当调节mAs。又因该机曝光时间固定为500 ms，故只有通过改变管电流的方式来改变mAs。根据本文优化的结果，建议在300、400、500 μA三档中调节管电流。截至目前，已利用上述曝光条件检查了超过6000例骨龄受检者，均获得了满意的图像质量。

本文主要介绍了一款全新的专用于儿童骨龄检查的便携式X射线机成像系统，其推荐使用的曝光条件是：管电压75 kV，曝光时间500 ms，再根据被照手腕部体厚在300、400、500 μA三档中调节管电流。此条件下被照部位的皮肤入射剂量为 7.127～13.77 μGy（平均 10.301 μGy），做到了在保证图像质量的前提下尽可能地降低辐射剂量，是一种非常理想的X线成像设备。但其仍存在产生X射线的强度不足、散热能力差、功率低、厚部位摄影受到限制等缺陷，有待今后提高。