数字全景成像技术基于数字X射线成像技术，通过多幅X射线图像局部重叠的图像配准，实现合成的全兴趣区、大范围成像，也称为图像拼接技术^[1]。数字脊柱全景成像主要用于脊柱畸形矫正治疗手术的术前分析病情、确定治疗方案及术后疗效的评估，是脊柱畸形评估的金标准^[2]。目前，常用的数字全景成像方法有数字X射线摄影(digital radiography，DR)全景成像、窄束X射线扫描(Slot scan)全景成像技术。Slot scan全景成像与DR全景成像的成像原理有一定差异。2种全景成像技术中受检者的辐射剂量孰高孰低，目前尚无定论。本研究旨在比较Slot scan全景成像技术与DR全景成像技术在脊柱全景X射线成像中受检者的辐射剂量，并探讨低剂量数字全景X射线成像技术的应用。

1. 设备：日本岛津公司Sonialvision safire17多功能X射线机，具有Slot scan全景成像技术；美国GE Discovery 650XR DR系统，带有全景成像拼接软件。

2. 实验对象：采用由日本京都科学株式会社生产的CTU-41型仿真体模，该体模为人体上半身体模，模拟身高165 cm、体重55 kg亚洲人种男性人体，组织等效性与人体一致。

3. 脊柱全景成像参数的确定

(1)Slot scan脊柱全景X射线成像参数：将体模置于检查床上，并使体模身体正中线与检查床长轴平行。选择高质量全景成像模式(HQ模式)，人体长轴方向线束高度3 cm，X射线中心线垂直射入探测器中心，X射线管与探测器在7.5 cm/s匀速同步运动过程中间隔2 cm曝光采集一副图像，相邻的两次曝光间有部分重叠曝光区域以实现无缝拼接，有50%的区域受到重叠曝光，一共采集38张部分重叠图像，在工作站中拼接为1张全景图像。在透视下确定全景成像起止点，源像距(source to image-receptor distance，SID)为150 cm(采用设备支持的最大SID 150 cm以减轻图像失真)，管电流为500 mA，管电压由80～120 kVp，间距5 kVp递增，曝光时间由2.8～20 ms递增，以S1-S5分组编号。原始数据传图像处理工作站(side station，日本岛津)进行拼接，调整亮度、对比度至最佳效果后传图片存档及通信系统(picture archiving and communication system,PACS)保存。

(2)DR脊柱全景X射线成像参数：将体模立于检查台上，体模身体正中线与胸片架长轴平行，体模与胸片架之间保留1 cm间隙，以保证胸片架在移动过程中不会与体模接触。①手动曝光模式：在控制台录入检查信息，选择脊柱全景成像程序，通过模拟光源中心线确定成像范围，SID 200 cm以减轻图像失真，管电流400 mA，管电压100 kVp，曝光时间由2.8～20.0 ms递增，以X1-X4分组编号，曝光完成后程序自动拼接出全景图像。②自动曝光模式：SID设置为200 cm，管电压100 kVp，启用自动曝光控制(AEC)。GE Discovery 650XR DR系统全景成像方式为：X射线管高度不变(焦点位于全景成像范围中点处)，根据成像范围自动分2～3次曝光，X射线管向头侧倾斜一定角度，探测器向上移动一定距离，使X射线中心线射入探测器中心，完成第1次曝光后，X射线管自动调整为水平位置，探测器同步移动，到位完成第2次曝光，然后X射线管向足侧倾斜相同角度，探测器同步移动，完成第3次曝光。相邻两次曝光间有部分重叠曝光区域以实现无缝拼接，在本实验中，有26.3%的区域受到重叠曝光。

(3)脊柱全景图像质量评价：两种全景成像技术的脊柱全景图像首先经过初筛，去除曝光严重不足及有明显运动伪影不能满足诊断要求的图像后，由3名5年以上诊断经验的放射科医师通过盲法进行主观图像质量评价。评价4个结构：C7棘突、T11棘突、L1棘突、骶髂关节面；评分等级：5分法，记录标准为：1分，结构图像未见显示；2分，结构图像显示小于50%；3分，结构图像显示等于50%；4分，结构图像显示大于50%；5分，结构图像完全显示。单个结构4分以上(即整幅脊柱全景图像质量分16分以上)被认为满足诊断要求。图像评价使用3M医用显示器(比利时巴可公司)，通过PACS系统调阅图像，并可调整窗宽、窗位等参数进行评价。

4. 蒙特卡罗数学模型转换辐射剂量：本研究采用的蒙特卡罗数学模型为PCXMC 2.0软件(芬兰辐射与核安全局)，具有新生儿、1、5、10、15岁和成年人6个不同的数学模型，可以对不同身高、体重的人进行辐射剂量模拟计算。PCXMC 2.0软件输入mAs和管电压等曝光信息，焦皮距(focal-spot to skin distance，FSD)、射线宽度、高度、投照角度等成像条件，阳极倾角、滤过材料及厚度等设备参数及受检者身高、体重等信息(表1)，通过蒙特卡罗数学模型分别计算出全景成像过程中每次曝光的器官吸收剂量及有效剂量(E)，全景成像中每次曝光的器官吸收剂量、有效剂量之和分别为此次全景成像的总的器官吸收剂量及有效剂量。PCXMC 2.0软件工作界面见图1。

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表1 PCXMC计算有效剂量所需参数

表1 PCXMC计算有效剂量所需参数

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图1 PCXMC 2.0软件界面 A. PCXMC 2.0软件模拟650XR DR全景成像投照参数窗口；B. PCXMC 2.0软件辐射剂量计算窗口

5. 统计学处理：采用SPSS 19．0软件进行分析。器官吸收剂量、有效剂量E的数据比较用单因素方差分析，采用Bonferroni法进行组间两两比较。P＜0.05为差异有统计学意义。

1. 两种脊柱全景成像图像质量主观评价：结果见表2。由表2可知，Slot scan脊柱全景成像参数中，S2组在较低的成像条件下获得较为理想的图像质量分16.00±1.00，此成像条件接近文献报道的最优成像条件^[3]；DR手动模式脊柱全景成像参数中与Slot scan模式相当的为X2组，图像质量分为16.33±0.58，见图2。

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表2 两种脊柱全景成像手动曝光模式图像质量评分及成像参数

表2 两种脊柱全景成像手动曝光模式图像质量评分及成像参数

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图2 两种设备X射线脊柱全景成像图样 A.DR模式X2组脊柱全景成像图像；B. Slot scan模式S2组脊柱全景成像图像

2. 两种脊柱全景成像技术3种模式成像条件及有效剂量：结果见表3。由表3可知，DR手动曝光模式的有效剂量明显低于自动曝光模式及Slot scan HQ模式的有效剂量(F=3 007.293，P＜0.05)。3种脊柱全景成像模式的各器官吸收剂量的分布见表4。由表4可知，两种全景成像技术3种曝光模式器官吸收剂量单因素方差分析，各组间差异均有统计学意义(F=32.714～4 310.365，P＜0.05)。采用Bonferroni法进行组间两两比较，除乳腺以外，DR手动曝光模式的器官剂量均低于Slot scan HQ模式的器官剂量(P<0.05)；除甲状腺、食管、肺以外，DR自动曝光模式的器官剂量均高于另外两种成像方式的器官剂量，差异有统计学意义(P＜0.05)。

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表3 两种脊柱全景成像技术3种曝光模式的成像参数与辐射剂量

表3 两种脊柱全景成像技术3种曝光模式的成像参数与辐射剂量

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表4 不同器官在两种脊柱全景成像技术3种成像模式下的器官吸收剂量(mGy)

表4 不同器官在两种脊柱全景成像技术3种成像模式下的器官吸收剂量(mGy)

脊柱侧弯在青少年中比较常见，如不及时发现和早期积极干预，则会发展成为严重畸形，继而影响到心肺功能，且致残率很高，同时脊柱侧弯影响自我形象甚至可能影响到健康。脊柱侧弯在选择治疗方法时，最重要的依据是图像学评估，站立位脊柱全景成像可以清楚显示全脊柱的整体、脊柱侧凹凸的部位和程度、椎体发育异常的程度、胸廓畸形的程度，是唯一能够反映脊柱侧弯的功能位形态改变的检查方法^[2]。随着科技的发展，全脊柱成像技术也从传统分次曝光胶片拼接法发展到数字化自动拼接成像，全脊柱图像的精确性和清晰度都有了极大地提升；各种低剂量技术的应用，也使得全景X射线成像的辐射剂量越来越低^{[4, 5, 6]}。然而，由于青少年对电离辐射的敏感性较大，关注低剂量全景X射线成像是非常必要的。

以蒙特卡罗(Monte Carlo)为代表的数学模拟方法是一种通过设定随机过程，反复生成时间序列，计算参数估计量和统计量，进而研究其分布特征的方法^[7]。蒙卡模拟方法的原理是当问题或对象本身具有概率特征时，可以用计算机模拟的方法产生抽样结果，根据抽样计算统计量或者参数的值；随着模拟次数的增多，可以通过对各次统计量或参数的估计值求平均的方法得到稳定结论。近年来，基于蒙卡模拟技术开发的软件在医学图像学中的临床应用有较大发展，如PCXMC、Impact MC和MCNPX等^[8]。PCXMC主要用于普通X射线设备成像的受检者的辐射剂量估算^{[9, 10]}。在PCXMC 2.0软件中，可以直接计算出受检者的器官吸收剂量和有效剂量，并且能根据国际放射防护委员会(ICRP)60号及103号出版物发布的组织器官权重因子分别计算出两组有效剂量，本研究采用基于ICRP 103号出版物组织权重因子的有效剂量。PCXMC软件能方便快速地计算受检者的有效剂量，且准确度较高^{[9, 10, 11, 12]}，能前瞻性地预估放射学检查的辐射水平。PCXMC的运用将大大提高放射学检查辐射预评价的效果，对成像参数的选择有较大的指导作用，对降低受检者的辐射剂量有十分重要的意义。

目前的全景X射线成像技术中，Slot scan全景成像只有手动曝光模式，DR全景成像有手动曝光模式和自动曝光模式供选择。本研究基于蒙卡数学模型对上述3种全景技术脊柱成像的器官吸收剂量和有效剂量评估如下：①3种脊柱全景成像的辐射剂量均在较低水平(最大有效剂量为0.118 7 mSv)。②DR自动曝光模式的大部分器官吸收剂量均高于Slot scan HQ模式和DR手动曝光模式，颈部和上胸部器官吸收剂量在DR手动曝光模式下稍高于DR自动曝光模式下的，其原因为颈部、上胸部在自动曝光控制下的曝光条件低于手动模式所设置的曝光条件。③Slot scan HQ与DR自动曝光模式脊柱全景成像时，部分器官的吸收剂量呈现迥然不同的差异性：颈胸部器官(如甲状腺、食管、胸腺及肺)的吸收剂量，Slot scan HQ模式高于DR自动曝光模式；腹部器官(如肝、肾、小肠、膀胱等)的吸收剂量，DR自动曝光模式高于Slot scan HQ模式，与这些器官所在位置的厚度及密度有关，DR自动曝光模式下曝光参数会随着受检部位的厚度及密度进行调制。

导致Slot scan HQ模式脊柱全景成像辐射剂量偏高的原因：一是Slot scan HQ模式全景成像的SID(150 cm)较DR全景成像近(200 cm)；其次是 HQ模式下Slot scan曝光有较高的重叠比(重叠50%)。高重叠比例曝光及窄X射线束的应用使得Slot scan全景成像的纵向放大失真度较低，拼接图像准确度相对更高^[13]。

造成DR脊柱全景成像自动曝光模式辐射剂量较高的原因，可能是设备厂家追求高信噪比图像所致。有学者研究表明，脊柱全景成像曝光条件降低一半，不会对结果的准确性产生影响^[4]。本研究中，两种全景成像技术所致受检者的有效剂量均显著低于文献报道的腰椎正位的平均有效剂量(0.207±0.149) mSv^[14]。使用XR650设备行DR脊柱全景成像时，采用本实验选定的手动成像模式条件，受检者的有效剂量约为100 kVp自动曝光模式的一半，印证了文献的结论^[4]。

综上所述，两种全景成像技术的辐射剂量均处于较低水平，手动模式将显著降低DR脊柱全景成像的辐射剂量，合理的参数设置可实现低剂量全景X射线成像。