骨科三維C形臂的性能對(duì)比研究

1.首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069；2.北京積水潭醫(yī)院設(shè)備科, 北京 100035

骨科三維C形臂的性能對(duì)比研究

韓乾1,2，陳安宇1

1.首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069；2.北京積水潭醫(yī)院設(shè)備科, 北京 100035

本文結(jié)合我院所使用的兩款不同采集原理及成像技術(shù)的三維C形臂，從設(shè)備的硬件、圖像質(zhì)量、劑量控制參數(shù)等方面對(duì)這兩種三維C形臂進(jìn)行詳細(xì)地對(duì)比性研究。為臨床能夠更好地使用設(shè)備提供技術(shù)依據(jù)。

三維C形臂；三維掃描；紅外導(dǎo)航系統(tǒng)；劑量控制

0 前言

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在醫(yī)院的骨科用X線機(jī)種類繁多，從普通的X線機(jī)、移動(dòng)式C形臂X線機(jī)，到近幾年發(fā)展起來(lái)的三維C形臂，使X線設(shè)備在手術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著X線成像技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的X光成像系統(tǒng)在功能、影像質(zhì)量與成像速度上都有了顯著的改進(jìn)，進(jìn)一步改進(jìn)了手術(shù)室中復(fù)雜外科手術(shù)的臨床工作流程。

我院使用骨科三維C形臂與紅外導(dǎo)航系統(tǒng)配合完成紅外線主動(dòng)誘導(dǎo)計(jì)算機(jī)輔助三維導(dǎo)航手術(shù)[1]，這種手術(shù)方式能讓外科醫(yī)師以細(xì)到mm的精確度，實(shí)時(shí)根據(jù)病人的解剖情況，確定手術(shù)器械的位置。通過(guò)三維C形臂重建病人病灶的三維結(jié)構(gòu)，術(shù)者能夠直觀看到病灶的具體情況，有效縮短手術(shù)時(shí)間，大大提高外科手術(shù)的精確性。

1 我院骨科三維C形臂系統(tǒng)介紹

1.1 西門子ARCADIS Orbic 3D

1999年，德國(guó)西門子公司生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)可以進(jìn)行術(shù)中即時(shí)三維影像重建的電動(dòng)C形臂系統(tǒng)—ISO 3D系統(tǒng)。該設(shè)備在設(shè)計(jì)上除去了中央主軸與C形臂軌道旋轉(zhuǎn)軸之間的機(jī)械分叉，實(shí)現(xiàn)等中心、電纜內(nèi)置滑環(huán)設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電機(jī)設(shè)定C形臂的自動(dòng)連續(xù)軌道向旋轉(zhuǎn)角度，C形臂自動(dòng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)190°采集100幅數(shù)字圖像，并同步自動(dòng)重建三維圖像。之后西門子推出新一代的ARCADIS Orbic 3D，進(jìn)一步改善圖像分辨率、采集時(shí)間、軟件后處理等功能。

1.2 奇目 Vision FD Vario 3D

2003年德國(guó)奇目公司推出了可變等中心（非等中心）的移動(dòng)C形臂—Vario 3D，該設(shè)備在普通機(jī)械軌道向運(yùn)動(dòng)的C形臂基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)135°軌道向可變等中心，采集110幅數(shù)字圖像，并重建三維圖像。2007年奇目推出平板三維C形臂Ziehm Vision FD Vario 3D。本文對(duì)比的是Ziehm Vision FD Vario 3D平板C臂。

2 西門子三維C形臂和奇目三維C形臂臨床應(yīng)用對(duì)比

對(duì)比設(shè)備：我院骨科應(yīng)用的西門子三維C型臂（Siemens ARCADIS Orbic 3D）（簡(jiǎn)稱西門子3D）和奇目三維C型臂（Ziehm Vision FD Vario 3D）（簡(jiǎn)稱奇目3D）兩種設(shè)備。測(cè)試工具：Unfors Xi R/F dose mete 劑量?jī)x。2.1 mm 的X線濾過(guò)銅板。CNR體模：IBA全能型圖像質(zhì)量測(cè)試體模。測(cè)試體摸：盆骨體模。

2.1 設(shè)備情況對(duì)比

（1）主機(jī)組成均由移動(dòng)式C形臂、移動(dòng)式臺(tái)車及監(jiān)視器構(gòu)成。設(shè)備的主要部件對(duì)比，見表1～3。

表1 主要部件對(duì)比

表2 相關(guān)參數(shù)對(duì)比

（2）X線二維成像探測(cè)器參數(shù)對(duì)比，見表3。

西門子3D 采用9英寸影像西門子增強(qiáng)器（23 cm），奇目3D采用瓦里安19.8 cm×19.8 cm平板探測(cè)器。

表3 成像探測(cè)器參數(shù)對(duì)比

2.2 二維X線及圖像系統(tǒng)對(duì)比

2.2.1 二維成像模式對(duì)比

西門子3D和奇目3D都具備連續(xù)透視、脈沖透視、數(shù)字點(diǎn)片DR。二維X線及圖像系統(tǒng)對(duì)比，見表4。

表4 各種模式參數(shù)對(duì)比

2.2.2 X線二維成像劑量測(cè)試對(duì)比

（1）目的：測(cè)試對(duì)比二維成像過(guò)程中，影像增強(qiáng)器及病人皮膚劑量率。隨著X線機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,使得手術(shù)工作者在工作中接受X射線的輻射機(jī)會(huì)大大增加[2]。若機(jī)體在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)或間斷受到X射線照射且達(dá)到一定劑量時(shí)，會(huì)引起以造血組織損傷為主的放射性損傷，甚至導(dǎo)致白血病等病變。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，醫(yī)用電離輻射給醫(yī)護(hù)人員造成機(jī)體損傷的潛在危險(xiǎn)愈來(lái)愈受到重視。所以，通過(guò)這次測(cè)試能夠讓醫(yī)務(wù)工作者更直觀地了解射線強(qiáng)度[3]。

（2）設(shè)置：準(zhǔn)直器完全打開，達(dá)到最大成像視野；放置2.1 mm Cu模體在球管管套表面；放置劑量測(cè)試儀在影像增強(qiáng)器或平板的邊緣，但是測(cè)試儀始終在X線曝光區(qū)域。

（3）采集：測(cè)量8 f/s脈沖透視模式下，影像接受器的劑量值，分別測(cè)試3組，對(duì)比結(jié)果，見表5。

表5 8幀/s脈沖透視模式下影像接受器的劑量值

根據(jù)平方反比定律公式，推算出病人的皮膚劑量：

公式(1)中：K1是離焦點(diǎn)d1距離測(cè)量點(diǎn)的劑量/劑量率，K2是離焦點(diǎn)d2距離測(cè)量點(diǎn)的劑量/劑量率。

估計(jì)距離病人皮膚圖像受體是40 cm。源像距SID（Source Image Distance）奇目系統(tǒng)是d1=111 cm，西門子系統(tǒng)是d1=98 cm。所以奇目系統(tǒng)d2=71 cm，西門子系統(tǒng)d2=58 cm。病人皮膚劑量可以從公式(1)計(jì)算出，對(duì)比結(jié)果，見表6。

表6 病人皮膚劑量對(duì)比

（4）結(jié)果分析：二維成像劑量對(duì)比，以平均值計(jì)算，奇目比西門子的探測(cè)器劑量大約高出184.4%，病人皮膚劑量大約高出143.4%，柱狀圖對(duì)比，見圖1～2。

圖1 影像接受器的劑量值對(duì)比圖

圖2 病人皮膚吸收的劑量值對(duì)比

2.2.3 X線二維成像效果測(cè)試對(duì)比

（1）目的：C形臂在手術(shù)室中的二維成像是最常見的應(yīng)用，并且在很多微創(chuàng)手術(shù)的開展對(duì)X線的投照及引導(dǎo)的要求很高，X線的成像效果尤為重要，并且兩臺(tái)設(shè)備的成像系統(tǒng)和二維成像參數(shù)均有所區(qū)別[4]，所以通過(guò)使用CNR體模進(jìn)行測(cè)試空間分辨率，灰度動(dòng)態(tài)范圍，低對(duì)比度分辨率對(duì)比等。

（2）設(shè)置：準(zhǔn)直器完全打開，達(dá)到最大成像視野；放置CNR測(cè)試工具（圖3）在影像增強(qiáng)器或平板的中央。

圖3 CNR體摸

圖4 單張CNR體摸的X線圖片

（3）采集：分別測(cè)量連續(xù)透視（圖4），數(shù)字透視模式下，獲取的CNR工具的圖像進(jìn)行讀數(shù)，分別測(cè)試3組以上，對(duì)比結(jié)果，見表7～8。

表7 連續(xù)透視模式對(duì)比

表8 數(shù)字DR透視對(duì)比

（4）結(jié)果分析：從各模式檢查對(duì)比表中我們可以看出，西門子的灰度動(dòng)態(tài)范圍要優(yōu)于奇目，因?yàn)閺捏w模上可以分清更多數(shù)目的灰階。低對(duì)比度分辨率西門子也略好一些。而在放大模式0級(jí)（即無(wú)放大情況）空間分辨率奇目要優(yōu)于西門子，這是由于兩者成像原理不一樣，奇目是平板成像，而西門子是影像增強(qiáng)器成像。但是我們看到再放大模式1中西門子的空間分辨率有明顯的提高，原因是影像增強(qiáng)器是物理放大，而平板是電子放大[5]。

2.3 三維X線及圖像系統(tǒng)對(duì)比

2.3.1 三維掃描方式對(duì)比

西門子3D 具備2種模式：高圖像質(zhì)量掃描、標(biāo)準(zhǔn)圖像質(zhì)量掃描；奇目3D具備3種模式：小兒骨科模式、軀干四肢模式、脊柱模式。

2.3.2 三維成像劑量對(duì)比

（1）目的：在三維采集不同的模式下，以及不同曝光次數(shù)，所產(chǎn)生的曝光輻射劑量均是二維多角度、多頻次曝光的劑量累積[6-7]。所以需要判斷兩種設(shè)備在旋轉(zhuǎn)采集二維序列圖像的累積劑量是否存在差異，因此，測(cè)試對(duì)比三維成像過(guò)程中分別采用不同模式的累計(jì)劑量和采集時(shí)間，并在每種模式下采集3次。

（2）設(shè)置：測(cè)量西門子標(biāo)準(zhǔn)采集50次190°曝光標(biāo)準(zhǔn)模式，高清模式100次190°曝光高質(zhì)量模式；奇目3種135°掃描模式：小兒骨科、軀干四肢模式、脊柱模式。將準(zhǔn)直器完全打開，達(dá)到最大成像視野；放置2.1 mm Cu模體在球管管套表面；放置劑量測(cè)試儀在影像增強(qiáng)器或平板的邊緣，但是測(cè)試儀始終在X線曝光區(qū)域。

影像增強(qiáng)器/平板的劑量值，分別測(cè)試3組以上，西門子3D、奇目3D影像接收器的劑量值，見表9～10。平均值對(duì)比，見圖5。

表9 西門子3D影像接受器的劑量值

表10 奇目3D影像接受器的劑量值

圖5 三維掃描影增/平板接收劑量對(duì)比

（3）結(jié)果分析：西門子3D、奇目3D病人皮膚吸收劑量，見表11～12。從表中可以看出奇目的3種掃描方式病人所吸收的累積劑量均要高于西門子2種掃描方式的累計(jì)劑量，其柱狀圖顯示，見圖6。

表11 西門子3D病人皮膚吸收平均劑量

表12 奇目3D病人皮膚吸收平均劑量

圖6 三維掃描患者皮膚劑量柱狀圖

2.3.3 三維成像圖像對(duì)比

2.3.3.1 三維圖像對(duì)比

（1）目的：骨科術(shù)中最新的是骨科C形臂技術(shù)，2種C型臂從X線采集次數(shù)，以及采集角度均有差異，所以最終獲取到的三維斷層圖像結(jié)果亦不相同。以東芝CT圖像為標(biāo)準(zhǔn)，使用相同圖像軟件對(duì)比西門子和奇目3D的圖像效果。

（2）設(shè)置：采用模仿人體的盆骨體膜，分別用東芝CT還有西門子和奇目3D進(jìn)行拍攝，并得到三維重建圖像。盆骨體膜采用前后位放置。西門子的3D采用的是西門子3D高圖像質(zhì)量掃描拍攝模式，奇目3D采用的是3D脊柱模式。這樣，西門子的3D得到100幅投照?qǐng)D像，256幅重建斷層圖像，奇目的3D得到110幅投照?qǐng)D像，256幅重建斷層圖像。分別導(dǎo)入至第三方影像分析軟件“imageJ”，進(jìn)行瀏覽。分析的時(shí)候，我們分別從CT、西門子、奇目重建的圖像中選取了一幅部位相近的盆骨斷層圖像作為對(duì)比（圖7～9）。

圖7 16排螺旋CT橫斷面圖像

圖8 西門子三維斷層橫斷面

圖9 奇目三維斷層橫斷面

（3）結(jié)果分析：由圖7～9可見，奇目機(jī)器重建圖像可以見到比較明顯的重建偽影，但是西門子機(jī)器重建出來(lái)的圖像上沒有這樣的偽影。原因可能是因?yàn)槠婺康臋C(jī)器重建數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致的，因?yàn)槠婺繖C(jī)器軌道掃描度數(shù)只有135°，而西門子的機(jī)器有190°。所以從西門子的機(jī)器中，可以得到更多的數(shù)據(jù)，這樣重建出來(lái)的圖像就會(huì)更準(zhǔn)確。還有一個(gè)情況可以說(shuō)明產(chǎn)生這樣偽影的主要原因是由于數(shù)據(jù)量不足：我們用工程師模式使用西門子做135°的3D高圖像質(zhì)量掃描，同樣得到有偽影的圖像。

2.3.3.2 在imageJ工具上采用對(duì)比分析三維圖像的信噪比[8]（圖10～11）

（1）目的：我們選擇圖像的均勻區(qū)域，計(jì)算圖像的信噪比，信噪比越高說(shuō)明信號(hào)中的噪聲越小。

（2）操作：每張圖上各選3個(gè)區(qū)域來(lái)計(jì)算圖像的信噪比。圖像里面的Mean就是我們所選區(qū)域（框起來(lái)的部分）的像素的平均值即信號(hào)，StdDev就是所選區(qū)域像素的均方差。SNR = mean/StdDev（表13）。

圖10 西門子圖像用imageJ所得圖像數(shù)據(jù)

圖11 奇目圖像用imageJ所得圖像數(shù)據(jù)

表13 通過(guò)軟件得出圖像的參數(shù)

（3）結(jié)果分析：從表13可以看出，西門子的均勻區(qū)域的信噪比要比奇目的信噪比好很多，而且奇目不同區(qū)域的信噪比不穩(wěn)定，西門子要穩(wěn)定得多。說(shuō)明奇目重建出來(lái)的圖像質(zhì)量要比西門子重建圖像的質(zhì)量略差。這有可能是由于算法或者掃描方式的原因造成的。

3 總結(jié)

X線平板技術(shù)是影像學(xué)快速進(jìn)展的趨勢(shì)，西門子3D與奇目3D相比，從二維采集、三維采集，以及劑量、臨床應(yīng)用流程來(lái)說(shuō)各有優(yōu)勢(shì)[9]。

3.1 射線劑量對(duì)比

根據(jù)對(duì)比內(nèi)容，在整體對(duì)比三維成像劑量、二維成像劑量、三維成像病人皮膚劑量、二維成像病人皮膚劑量的結(jié)果是：奇目平板的成像劑量均高于西門子影像增強(qiáng)器。

分析原因：① 平板材料不同，晶體對(duì)于X射線的吸收會(huì)有差異，因此X射線越多，所獲取圖像的質(zhì)量會(huì)越好。② 此兩種不同設(shè)備上自動(dòng)曝光模式的控制和反饋原理不同，可能會(huì)造成劑量差異。

3.2 圖像質(zhì)量對(duì)比

兩種設(shè)備的二維圖像質(zhì)量各有優(yōu)點(diǎn)，但奇目3D在三維斷層圖像的臨床應(yīng)用對(duì)比上不是很理想，掃描圖像會(huì)有偽影。

分析原因：① 奇目3D的三維采集角度比西門子3D的采集角度小，因而重建后的圖像會(huì)產(chǎn)生較多的噪聲和偽影。② 可變等中心的采集技術(shù)，是需要通過(guò)3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)三維采集，在C形臂多方向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中序列采集圖像，可能會(huì)存在運(yùn)動(dòng)偽影，從而造成三維重建的斷層圖像偽影。

通過(guò)我們對(duì)西門子3D和奇目3D的劑量與圖像質(zhì)量的測(cè)試對(duì)比，為臨床工作者更好地使用設(shè)備提供了比較充分的數(shù)據(jù)支持。劑量方面：手術(shù)醫(yī)生在臨床使用中能夠更清晰地了解設(shè)備的射線劑量情況，從而做好對(duì)臨床工作者和患者的保護(hù)措施。圖像質(zhì)量：由于設(shè)備的技術(shù)差異，圖像質(zhì)量會(huì)有不同。手術(shù)醫(yī)生能夠根據(jù)手術(shù)情況選擇性地使用設(shè)備，從而達(dá)到更好的設(shè)備使用效果。

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Comparative Study on Orthopedic 3D C-arms

HAN Qian1,2，CHEN An-yu1
1. College of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China; 2. Department of Medical Equipment, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing 100035, China

This paper focuses on two orthopedic 3D C-arms with different acquisition principles and imaging technologies used in our hospital. Detailed comparative study is performed on two 3D C-arms from the hardware, image quality and dose control parameters, which provides technical support for clinicians to make better use of the equipment.

3D C-arm; 3D scanning; infrared-guided system; dose control

TH774；R68

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.059

1674-1633(2013)05-0152-05

2013-01-25

2013-02-06

本文作者：韓乾，首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)專業(yè)研究生，北京積水潭醫(yī)院 設(shè)備科助理工程師。

陳安宇，教授，碩士研究生導(dǎo)師。

作者郵箱：Jerryhan2001@liye．cn