適用于應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援的數(shù)字X射線攝影關(guān)鍵技術(shù)

郭境峰 詹李嘉 趙少武 汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司 （廣東 汕頭 515041）

內(nèi)容提要： 數(shù)字X射線攝影（DR）設(shè)備因具有應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)診斷中被廣泛地使用，但傳統(tǒng)的DR和超聲在便利性、勤務(wù)性方面存在不足，限制了其在應(yīng)急醫(yī)療救援中的普及。隨著便攜式DR的推出，DR在便利性、勤務(wù)性等方面得到非常大的提升，再結(jié)合超聲及遠(yuǎn)程醫(yī)療、人工智能技術(shù)，為應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備帶來(lái)了新的發(fā)展方向。

隨著時(shí)代發(fā)展，應(yīng)急救援已成為一項(xiàng)全球性的課題[1]。數(shù)字X射線攝影（Digital Radiography，DR）設(shè)備具有應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)診斷中被廣泛地使用[2]。在應(yīng)急醫(yī)療救援的影像學(xué)檢查中，DR具有廣闊前景，DR對(duì)于診斷骨折脫位、氣胸、血胸、胸腹腔游離氣體均有明確的意義[3]。但傳統(tǒng)DR在便利性、勤務(wù)性方面存在不足，限制了其在應(yīng)急醫(yī)療救援中的普及，而便攜式DR的推出，在便利性、勤務(wù)性等方面得到非常大的提升。文章結(jié)合傳統(tǒng)DR的不足，探討其在輻射防護(hù)、內(nèi)部電源供電、油箱減重和設(shè)備防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)上的改進(jìn)，探討其在應(yīng)急醫(yī)療救援中的應(yīng)用空間。

1.傳統(tǒng)DR在應(yīng)急醫(yī)學(xué)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體現(xiàn)在輻射傷害、供電條件和重量三個(gè)方面：①輻射傷害。是指X射線因其電離特征，累積到一定程度對(duì)人體健康造成傷害，這使得DR診查一般需在防護(hù)室內(nèi)進(jìn)行，或?qū)ε臄z現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行徹底清場(chǎng)，應(yīng)急使用時(shí)會(huì)非常不便。②供電條件。主要是傳統(tǒng)DR一般都采用市電供電，這在戶外、野外應(yīng)急場(chǎng)合很難得到滿足。③重量。傳統(tǒng)的DR是固定在防護(hù)室內(nèi)，而移動(dòng)式的DR，其重量一般也在100kg以上，難以適應(yīng)戶外、野外的應(yīng)急場(chǎng)合。

1.2 勤務(wù)性的不足

勤務(wù)性的不足主要是體現(xiàn)在對(duì)惡劣自然環(huán)境的適應(yīng)上，常規(guī)的DR和超聲設(shè)備一般只考慮在正常環(huán)境中運(yùn)行，未考慮高溫、高寒、高原、高濕、高鹽的惡劣環(huán)境，例如當(dāng)?shù)陀诹阆?0°C時(shí)，設(shè)備往往會(huì)性能下降，甚至無(wú)法運(yùn)行。而應(yīng)急救援所處的環(huán)境條件，很可能就伴隨上述極端條件。

2.適用于應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援的DR關(guān)鍵技術(shù)

為了讓DR能更好地適用于應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援，可針對(duì)上述不足采用輻射防護(hù)、內(nèi)部電源供電、油箱減重和設(shè)備防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 輻射防護(hù)

2.1.1 低劑量成像增強(qiáng)

降低管電壓、管電流、曝光時(shí)間即可降低DR的輻射劑量，但得到的信號(hào)也隨之減弱。通過(guò)圖像處理技術(shù)，提取圖像中的有效信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，可在低劑量的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)四肢、腰腹和胸部等部位高質(zhì)量成像，可滿足100kg體重患者的臨床需求[4]。圖1是常規(guī)劑量和1/3劑量搭配成像增強(qiáng)在志愿者身上的拍攝成像效果對(duì)比。

圖1 .常規(guī)劑量胸片與1/3 劑量成像增強(qiáng)的效果（志愿者173cm/75kg）

2.1.2 射線方向修正

X射線是一種特殊波長(zhǎng)的不可見光，其在傳播方向上具有光的特性。通過(guò)控制X射線的發(fā)射方向，減少散射到被檢測(cè)對(duì)象四周的射線量，提高射線的有效利用率，就可以從源頭上減少X射線的生成量，進(jìn)而減少輻射劑量，見圖2，修正以后焦點(diǎn)正前方以外區(qū)域的劑量都明顯下降，焦點(diǎn)后方劑量低于2.5μSv/h的深綠色區(qū)域面積則明顯增大。

圖2 .X 射線方向修正前(左)后(右)的輻射劑量分布圖

2.1.3 射線屏蔽/吸收

通過(guò)對(duì)射線發(fā)生器和限束器、探測(cè)器進(jìn)行改造，可屏蔽和吸收掉散射到檢測(cè)對(duì)象之外的射線。見圖3，經(jīng)過(guò)屏蔽/吸收改造之后，焦點(diǎn)正前方之外的區(qū)域的劑量率都進(jìn)一步下降，在焦點(diǎn)后方1.5m和左右各45°位置上的劑量率均＜2.5μSv/h，按每年連續(xù)照射365d、每天連續(xù)照射24h的極端情況計(jì)算，對(duì)照國(guó)標(biāo)的職業(yè)照射水平，遠(yuǎn)低于50mSv/年、略高于100mSv/5年的限值[5]。

圖3 .屏蔽/吸收改造前后的輻射劑量分布圖

2.2 內(nèi)部電源供電

內(nèi)部電源供電即使用設(shè)備內(nèi)置的電池進(jìn)行供電，在DR上要考慮寬電壓、高功率、低損耗等要求。

電池一般可采用大容量、高放電倍率的電池組，并具有過(guò)流、過(guò)放等保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)機(jī)頭發(fā)射瞬間對(duì)大功率、高電流的電源要求；主變壓器、球管燈絲變壓器應(yīng)依據(jù)電池組低電壓的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足高達(dá)功率輸出要求的同時(shí)確保kV、mA、mAs精度；電源控制可采用寬電壓DC/DC模塊電路，并按低損耗的要求進(jìn)行各控制模塊的設(shè)計(jì)，使設(shè)備在低電量時(shí)仍可穩(wěn)定工作。

便攜式DR采用內(nèi)部電源供電時(shí)一般可在常溫環(huán)境下拍攝高達(dá)數(shù)百次，即使在低溫環(huán)境下仍可拍攝上百次[6]。

2.3 油箱減重

高壓絕緣系統(tǒng)一般采用油箱的方式實(shí)現(xiàn)，該部件重量占比較大，對(duì)該部件進(jìn)行改進(jìn)可大大減輕整機(jī)的重量，故俗稱油箱減重。

材料上可采用新型絕緣材料，再分析油箱內(nèi)部高壓電場(chǎng)的分布情況重新設(shè)計(jì)高壓絕緣結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的高壓絕緣系統(tǒng)，可在滿足穩(wěn)定輸出125kV的前提下，體積重量均減半，見圖4。

圖4 .減重前(左)后(右)的高壓絕緣系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)油箱減重等各種改進(jìn)后的DR機(jī)頭重量可低至15kg以下，加上工作站電腦、平板探測(cè)器以及充電器、曝光手閘、遙控器等配附件和包裝箱體（見圖5），整套在35kg，可徒手運(yùn)輸，展開及撤收可由1人完成，必要時(shí)可以單兵作戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)急救搶救快速X射線成像的位置前移[7]。

圖5 .整套裝備便攜式DR

2.4 設(shè)備防護(hù)

2.4.1 設(shè)備密封性設(shè)計(jì)

設(shè)備密封性設(shè)計(jì)主要用于解決防水、防塵、防鹽霧的問(wèn)題，應(yīng)急救援場(chǎng)景可能需要在長(zhǎng)時(shí)間的雨淋、鹽霧情況下工作，防護(hù)等級(jí)（Ingress Protection 65，IP65）以上的防護(hù)等級(jí)比較適宜（雨淋和防鹽霧測(cè)試見圖6）。

圖6 .雨淋和防鹽霧測(cè)試

密封性主要采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)和在關(guān)鍵接口上采用高防基本器件的方式解決，對(duì)活動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)采用動(dòng)密封設(shè)計(jì)防止部件結(jié)構(gòu)的卡死，在關(guān)鍵接口處應(yīng)選用IPX5以上的器件防止接口進(jìn)水進(jìn)塵導(dǎo)致接觸不良或損壞。

2.4.2 高低溫和高原適應(yīng)性設(shè)計(jì)

高低溫度和氣壓的變化，會(huì)加速元器件中可能發(fā)生或存在的化學(xué)或物理反應(yīng)，故障過(guò)程可能會(huì)加速，對(duì)電子元器件環(huán)境溫度、濕度、溫度循環(huán)等適應(yīng)能力有更高的要求。

可通過(guò)采用寬溫度寬氣壓范圍的器件、部件提高設(shè)備的適應(yīng)性，并結(jié)合溫度檢測(cè)控制，提高整機(jī)的適應(yīng)性，使得設(shè)備能在-40～+46°C（見圖7）、-400～5500m海拔的環(huán)境下正常工作（見圖8）。

圖7 .高溫暴曬和低溫冷凍環(huán)境測(cè)試

圖8 .高原環(huán)境下正常拍片

良好的適應(yīng)性可以在山地、沙漠、海洋、城市、鄉(xiāng)村等多地域、多氣候展開工作，形成能夠全天候、全方位、全地域執(zhí)行衛(wèi)勤保障任務(wù)的能力[8]。

3.小結(jié)與展望

針對(duì)傳統(tǒng)DR在便利性、勤務(wù)性方面存在不足，通過(guò)在輻射防護(hù)、內(nèi)部電源供電、油箱減重和設(shè)備防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)上的改進(jìn)，可以讓DR在應(yīng)急醫(yī)療救援中得到更好的應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步和我國(guó)科研水平的提升，還有更多的技術(shù)能讓DR在應(yīng)急醫(yī)療中有更廣闊的空間。

3.1 手持式DR及掌上彩超

應(yīng)急醫(yī)療場(chǎng)景的醫(yī)學(xué)影像檢測(cè)目標(biāo)更多是面向傷情而非疾病，在確保能排查傷情的前提下可以犧牲部分圖像性能以進(jìn)一步減少體積重量提高便利性。

將便攜式DR改為手持式機(jī)頭+10×12寸小平板探測(cè)器，如果再搭配重量?jī)H為幾百克的掌上彩超，DR工作站和彩超共用一個(gè)筆記本電腦閱片，再加上外包裝和少量的備用電池，整套的總重量可以控制在10kg以內(nèi)，見圖9。

圖9 .手持DR 超聲樣品

但縮減體積重量之后，DR的射線屏蔽/吸收工作會(huì)比較難實(shí)施，對(duì)手持機(jī)頭進(jìn)行過(guò)測(cè)試摸查（見圖10），同等圖像質(zhì)量下的輻射劑量分布無(wú)法達(dá)到前文的水準(zhǔn)，在實(shí)際使用時(shí)需更加嚴(yán)格控制使用頻次以保護(hù)操作者的身體健康。

圖10 .對(duì)手持機(jī)頭測(cè)試摸查的劑量分布情況

3.2 智能輔助診斷

近年來(lái)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)的發(fā)展，使得醫(yī)學(xué)影像也出現(xiàn)了許多智能（輔助）診斷，在應(yīng)急場(chǎng)景中也是大有可為的，比如在DR圖像上自動(dòng)識(shí)別骨折（見圖11），可以幫助現(xiàn)場(chǎng)救援人員減輕工作量、降低工作難度、減少疏漏。

圖11 .智能識(shí)別骨折位置

但智能輔助診斷也存在一些問(wèn)題，如：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像樣本有很大的依賴，而在應(yīng)急場(chǎng)合采集圖像不太現(xiàn)實(shí)，這影響了智能輔助診斷在應(yīng)急方面的發(fā)展；另外，智能輔助診斷一直以來(lái)在責(zé)任與倫理存在較多的爭(zhēng)議，相比在醫(yī)院里的疾病診斷，應(yīng)急場(chǎng)景下診斷結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)更大，智能診斷的責(zé)任歸屬會(huì)更加復(fù)雜[9]。

3.3 融合DR、超聲以及信息化、智能化的應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)傷情處理方案

DR和超聲都是相對(duì)經(jīng)濟(jì)、輕便的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，從便利性上看是目前唯二能隨同救援人員到達(dá)應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，在應(yīng)用范圍上看二者也能夠覆蓋大部分的創(chuàng)傷所需的醫(yī)學(xué)影像檢查[10]。

結(jié)合二者在醫(yī)學(xué)影像上的優(yōu)勢(shì)，就能對(duì)傷員進(jìn)行非常全面的傷情檢查，再借助智能化和信息化技術(shù)，不僅能進(jìn)一步提高檢查效率，還能在現(xiàn)場(chǎng)完成傷情分類評(píng)級(jí)，或者將傷情檢查情況快速傳送到后方，以便于后方更好地確定收治方案、搶救傷員[11]。