平板胸部X射线成像与存储荧光体X射线成像及胶片屏幕X射线成像的图像质量比较.doc

Marika Ganten1, Boris Radeleff, Annette Kampschulte, Mark D. Daniels, Gnter W. Kauffmann and Jochen Hansmann 1 All authors: Department of Diagnostic Radiology, Ruprecht-Karls-University of Heidelberg, Radiological University Hospital, Im Neuenheimer Feld 110, 69120 Heidelberg, Germany. 摘要目的为了评价大面积直接读出平板探测系统胸部X射线成像图像的质量，我们展开了一项观测者倾向性研究。用临床对比研究方法对平板系统与存储荧光体和标准的胶片屏幕系统展开对比研究。材料与方法使用平板、存储荧光体、胶片屏幕系统获得了对30名患者进行常规胸部X射线成像检查图像（后前位），然后对其进行比较研究。10处解剖部位的可见度与整个图像的质量标准由三位放射学家通过5分类法独立进行鉴定。诊断结果的差异显著性使用Wilcoxons符号秩检验进行判断。同时也进行了三种模式的剂量测定。结果在大多数解剖结构中，平板X射线成像系统与一流的常规胶片屏幕系统相比图像可见度有所改善；与存储荧光体系统相比其可见度相当。平板系统在对细小结构的描绘质量上有极大的提高（p0.05），并且，这是在整体放射剂量减少50%的情况下获得的。结论尽管减少了放射剂量，平板探测器系统提供的解剖结构可见度即使没有超越常规和存储荧光体系统，但至少也跟它们一样好。简介数字X射线成像技术的最近发展主要局限于直接读出平板探测器领域。人们要求这一技术至少要与传统的标准胶片屏幕系统同样精确，同时，还必须具有数字图像“归档”系统。初步模型研究显示，与传统的胶片屏幕系统相比，平板X射线成像图像能够提高空间和对比分辨率并且允许放射剂量的减少 13。几乎还没有人对平板和存储荧光体系统展开对比性研究4，5。Strotzer等人6以15名患者为样本展开临床研究，对数字系统和常规系统的图像质量进行比较评价。这一研究显示，平板X射线成像图像在放射剂量减少了50%的情况下，图像质量没有显著下降。另一项最近由Fink等人7开展的较大样本（100名患者）的临床研究结果显示，与常规的胶片屏幕胸部X射线成像图像相比，平板X射线成像图像的质量相同或者更好。我们采用与Fink 等人7相同的方法，并把它应用于无定形硅数字X射线成像探测器系统、胸部胶片屏幕系统和存储荧光体系统，对图像质量和各个解剖部位的描绘情况展开了临床对比性研究。材料与方法患者图像在观测者倾向性研究中，评价的对象是7个月内在大学的外科医疗中心做过腹部手术患者的胸部X射线成像图像。这些患者的围术期例行胸部X射线成像图像是按照随机分配系统的分配结果通过平板探测器系统、存储荧光体系统或常规胶片屏幕系统获得的。69名患者满足所有三种成像方法的最初入选标准。所有成像过程在10天内完成，共3个月。如若在检查中发现胸部解剖结构有显著的客观变化（比如，由于渗出、胸部手术或肺炎引起），那么这样的患者将被排除（共39人）。剩余的30名患者在做胸部X射线成像图像时平均年龄为63.5岁。除此之外，他们都没有受到其它相关研究的X-线照射。成像系统作为标准参照的传统胶片屏幕系统为自动胸部专用系统(Thoramat, Siemens, Erlangen，德国)，配有标准X-射线管和采用宽曝光时限240速胶片(Scopix, Agfa, Antwerpen, 比利时)的发生器(Siemens) 。系统采用自动曝光控制模式，合成（复合）曝光值为：125 kV, 395 mA, 焦点胶片距离为220cm。基于硅技术(Revolution XQ/i, General Electric Medical Systems, Milwaukee, WI)的自扫描平板探测器电子化存储图像。技术细节参见相关文献8，9。探测器由联合固定于玻璃底物上的闪烁体（碘化铯层）和无定形硅光敏二极管组成。X射线光子通过闪烁材料转换成可见光。光敏二极管再把可见光转换成电子。电子信号通过薄胶片晶体管传给模数转换器以产生数字图像。这种探测器的矩阵大小为2048 x 2048像素，螺距为200 mm，使得活动成像面积变为41 x 41 cm。空间分辨率为2.5 lp/mm。调整数字胸部X射线成像系统的自动曝光控制模式以产生与常规胶片屏幕系统（各种参数如下：400速 , 125 kV，焦点胶片距离为180cm）放射剂量水平相似的剂量。所有平板图像均采用由制造商（XQ/i M3，General Electric Medical Systems）提供的标准后处理算法，这一算法经过校正以后会产生与我们系所使用的胶片屏幕联合应用相似的图像效果。为了匹配胶片屏幕联合应用系统，这一程序采用多分辨率算法以增强边缘效应、降低动态变化范围和应用不对称对比曲线。通过激光成像机(LR 3300, Agfa, Mortsel，比利时)把图像硬拷贝到激光胶片上(Scopix Laser 2B DL, Agfa)。计算机X射线成像系统代表存储荧光体系统(ADC Compact, Agfa) 且含有一个发生器(Polyhydros H radiator Opti 150/30/50c, Siemens)，此发生器带有厚度为1mm的铝质过滤器。调整计算机X射线成像系统的自动曝光控制模式以产生与常规胶片屏幕系统（各种参数如下：200速, 125 kV，焦点胶片距离为180cm）剂量水平相似的剂量。后处理算法的应用使得与胶片屏幕图像非常相似的图像（由制造商提供）制作成为可能。成像系统采用激光打印机(LR 3300, Agfa)和硬拷贝胶片(Scopix, Agfa)。图像评价三位放射学家（住院时间分别为三年、四年和五年，且他们从住院开始就接受胸部X射线成像培训）对硬拷贝进行独立评价。数字成像方法在一定程度上受累于标准后处理处理和接下来的硬拷贝打印，还受累于优化程序（如，数字放大和边缘增强程序）不能得以应用的事实。为了避免发生可能由直接形态相互比较所导致的偏见，我们对每个系统进行单独评价。为了在外观上匹配常规图像，我们对数字图像进行后处理，以避免由于图像形态间的亮度或对比度不同所导致的任何偏见。不仅如此，来自三个系统的图像由于外观（胶片材质和格式）不同也很容易区分开来。患者名字已从图像上去除或被模糊化，在对患者病史不知情的情况下以随机顺序对图像进行评价。观测者可以持有胶片，必要时也可以使用聚光灯。所有图像的阅片工作在由可调的百叶窗光盒产生的柔和的光下进行。在评价时没有时间限制和阅片距离限制。10处预先界定的解剖部位可见度（如，肺实质、软组织和骨结构的描绘情况见图1A，1B），曝光标准的质量（如，曝光不足或曝光过度），图像质量（受对比分辨率和伪影存在的影响）的整体主观感受都通过5分类法（1=不满意，2=较差，3=一般，4=良好，5=优秀）加以界定。这10处解剖结构可用来评价不同范围的X射线吸光度（包括较小的和低对比度的结构），它包括：左、右主支气管，外周支气管，顶部和底部外周导管，心后导管，右肺动脉，主动脉降支，左椎旁隔膜和椎弓根。剂量测定除了平板图像的患者剂量减少50%以外，患者检查在同一曝光条件（采用相同的峰Kv、射线管电流和栅格）下进行。研究开展之前，调整平板探测器X射线成像系统的曝光设定，以提供与400速胶片屏幕系统相同的放射剂量。在接受器表面(dosimeter from RadCal, Monrovia, CA)放置一块20mm铝质滤光片用于对比剂量测定。平板系统（120 kV、100 mA、1.52 mAs、栅格前为7 mGy）与存储荧光系统(121 kV、2.97 mAs、14.8 mGy) 相比剂量降低幅度大于50%；与常规胶片屏幕系统(121 kV、3.24 mAs、12.8 mGy)相比剂量减少45%。进一步采用拟人胸部模型(Alderson，Long Beach，CA)测定皮肤剂量，用于确认结果（平板系统与存储荧光系统相比剂量减少55%，与胶片屏幕系统相比剂量减少49%）。统计分析计算了每一种标准与图像模型的平均值。平板探测器的结果额定容量与胶片屏幕和存储荧光体系统分别进行评分比较。来自三种模型的图像得分差异性通过Wilcoxon符号秩检验进行测定。之所以采用Wilcoxon符号秩检验，是因为数据不符合正态性分布和这种检验方法有潜力检验非参数变量之间的差异性。如果差异性大于或等于0.3（我们认为，得分差异性小于0.3时为肉眼不可见），平均得分的差异性小于或等于统计显著水平（p）0.05时被认为相关。由于解剖结构图像的质量和可见度是由观测者主观界定的，我们对观测者之间的统一性进行了评估。使用的是Spearman秩相关系数；由于本研究多变量反应太多，因此不适合用kappa统计 10。结果对所有观测者的联合阅片进行分析，结果，图像质量和解剖结构可见度均显示出显著的正相关性：Spearman秩相关系数为0.420.65。对于整个图像标准来说，三个模型之间没有显著性统计学差异。采用5分类法（1=不满意，2=较差，3=一般，4=良好，5=优秀），得分范围为3.66 和4.77之间。对主观图像的界定是令人满意的。没有观测到伪影。匹配模型的等级界定和他们之间的显著性列于表1、2、3中。10处解剖部位的平均得分见图2和3。表1、2、3(略)中的整值作为正态分布加以描述，这明显使SD增大。表1 解剖结构的整体图像质量和可见度：平板X射线成像与存储荧光X射线成像表2 解剖结构的整体图像质量和可见度：平板X射线成像与胶片屏幕X射线成像表3 解剖结构的整体图像质量和可见度：存储荧光X射线成像与胶片屏幕X射线成像与其余的两种模型相比，尽管放射剂量降低了大约50%，但是我们发现，10处解剖标准平板图像在计算总体得分时是最高的（平板系统平均值为3.6；存储荧光系统为3.5；胶片屏幕系统为3.3）（见图4A、4B、4C）。用Wilcoxon符号秩检验来分析每处解剖部位并检验其统计学显著性，平板探测器图像为导管和肺底部外周导管图像。存储荧光体系统在描绘左椎旁隔膜和椎弓根时效果更好（见表1）。与胶片屏幕图像（见表2）相比，平板探测器图像对多数（6/10）解剖结构的描绘效果要显著好。在平板图像中显示较好的结构有右主支气管、左主支气管、外周支气管、肺顶部外周导管、肺底部外周导管和椎弓根。心后结构的图像没有显著性差异。存储荧光系统与胶片屏幕系统相比，四处解剖结构的图像有显著性差异。存储荧光系统在描绘心后结构时效果更好，如：主动脉降支、左椎旁隔膜和椎弓根。胶片屏幕系统在描绘底部外周导管时效果较好（见表3）。讨论本研究的目的是在观测者倾向性研究中比较无定形硅探测器与存储荧光体系统和常规胶片屏幕系统的优劣。用于临床应用，平板系统应该至少与胶片屏幕系统（传统金标准）同样精确，而且能够具有数字图像存档的优点。以前的实验性或临床型的研究尽管研究样本大小有限，但都显示出平板探测器系统的优越性，其中大多数研究采用实验性系统和探测器胶片屏幕系统。据报道，以前的样本大小有限的实验性临床研究大多数采用实验性系统和原型探测器11。数字探测器的一个显著特点就是动态范围宽。为了使极限曝光宽容度可视化，计算机系统会自动补偿肺与纵隔之间曝光的巨大差别12。按照制造商的说法，平板探测器的动态范围高于1：10000，胶片屏幕系统大约是1：30，存储荧光体探测器为1：4000。这种宽动态范围能够改善底穿透区域的特征对比度，并且使足够多的吸光特性使不相同的组织（如：骨或肺实质）同步成像。这种在动态范围上的不同，或许可以解释为什么数字系统在描绘纵隔结构（如：椎旁隔膜或椎弓根）和描画主动脉降支时要优于胶片屏幕系统。图像质量的另一个重要因子是信噪比。量子探测效率通常被看作是表征探测系统信噪比性能的最重要参数。新探测系统的量子探测效率（6570%）明显高于胶片屏幕系统（20%）和存储荧光系统(25%) 13。平板数字系统的高量子探测效率是其降低剂量的基础。尽管平板图像在进行采集时剂量要远远低于另外两个系统，高量子探测效率也可用来解释为什么平板系统图像质量得分较高。平板系统具有存储荧光系统同样的优势（如：可进行后处理和图像归档），同时还能提高图像质量（因为提高了量子探测效率和细节对比分辨率）和减少放射剂量（可用于存储荧光体系统的当前标准）。尽管如此，存储荧光体系统的技术开发也在进行当中，这些技术要点在应用于临床时要重新评估。虽然本研究的样本大小有限，但是每种探测器系统采集到的图像来自同一个患者，这有助于对这三种探测器系统进行统计学比较。况且，采集图像时有显著变化的患者已被排除在外。因此，本研究得到了许多具有显著性意义的数据，这些数据通过Wilcoxon符号秩检验证明在统计学上具有显著性差异。平板图像对解剖结构的描绘效果有50%要显著好于存储荧光体系统和胶片屏幕系统，其余结构的描绘效果则至少与它们相当，但是，在心后区域（椎旁隔膜和椎弓根）其描绘效果没有存储荧光系统好。有许多偏见可能会影响我们的研究结果。由于常规胶片屏幕图像相对容易认出，因此不可能使观测者对探测系统类别完全不知情。为了减少这种偏见，我们对每个模型进行分组，并且所有的图像都以随机的顺序阅片。为了使图像评价条件相似，在标准后处理以后平板和存储荧光图像被打印在硬拷贝激光胶片上。硬拷贝的数字图像减少了数字系统的许多优势即，可以扩大窗体和窗位设置，在软拷贝展示时可以使用图像-增强工具。与常规的标准胶片屏幕系统，平板系统具有决定性的实际应用优势。重拍几乎没有必要，因为动态变化范围很宽，你可以使用曝光过度或曝光不足的图像。在读出过程中，监控器会使预览图像显示15秒，此时你可以简单快速的完成图像质量检查。由于有许多后处理程序，如：窗位互动设置和对比度增强设置，放射学家能够关注图像上特定的异常显示。数字图像可以轻松整合进RIS（X射线成像信息系统）和PACS（图片归档和通讯系统）环境。显然，与其它平板技术相关研究相似14，进行观测者倾向性研究还是第一次，接下来的研究是诊断准确性研究。观测者研究的好处就是它允许比较宽范围的解剖特征，也可以用来确定怎样进行诊断性研究。与存储荧光系统和常规胶片屏幕系统相比，第一代平板无定形硅探测系统的图像质量没有改变，解剖结构的可见度增强或相同，放射剂量减少50%。总之，与常规和计算机系统相比，新型的平板探测系统在减少剂量的同时还能够发挥许多数字系统优势。（全文完）