近年来,随着生物力学的研究深入和生物材料的发现发展,膝关节置换术(TKA)成为严重膝关节疾病治疗的首选。术后影像学评价是影响膝关节置换术疗效评价和功能评定的重要依据^[1-2]。随机抽取50位在首都医科大学附属北京朝阳医院行TKA术后4~6年患者的非负重位膝关节影像进行回顾性分析,存在辐射剂量过高,图像曝光过度,植入物与周围骨质对比度差等问题。本研究通过对模体标本进行测试分析,比较不同曝光模式下DR摄影各技术参数与图像质量、辐射剂量之间的关系,探讨TKA术后最佳摄影条件及临床应用的可行性。

1. 仪器:采用美国GE Definium 6000飞天数字摄影系统,探测器为碘化铯/非结晶硅,固有滤过2.7 mm Al。

2. 模体标本:由具有临床工作经验的骨科医生对一具经10%中性甲醛浸泡的新鲜成年下肢标本(下肢标本的使用获得本院伦理委员会批准)进行双膝TKA,分别植入固定平台型(fixed bearing,FB)和旋转平台型(rotating platforms,RP)^[3]膝关节假体后行左、右侧膝关节非负重位X射线摄影(图 1)

图 1 不同类型假体植入模体后X射线影像 注:FB.固定平台型膝关节假体;RP.旋转平台型膝关节假体 Figure 1 Different types of implants after mold body X-ray image

3. 分组及DR摄影方法:根据曝光摄影方式分为自动曝光模式组(AEC)、手动曝光模式组(FIXED);根据图像质量和辐射剂量分为最优化实验组和回顾组。AEC组采用自动曝光模式,中心电离室,系统预设mAs值,固定管电压为55~80 kVp,步进5 kVp,[JP2]以管电压可选择最小管电流为基础,选择100、120、150、200和250 mA依次改变并进行曝光。焦点胶片距(SID)100 cm,照射野(FOV)18 cm×[JP]24 cm^[4],髌骨下缘垂直入射,重复实验2次。FIXED组采用手动曝光模式,固定管电压为55~80 kVp,步进5 kVp,选择0.5、1.0、1.25、1.6、2.0、2.5和3.2 mAs依次改变并进行曝光。焦点胶片距、照射野等条件同AEC组。回顾组随机抽取50例行TKA术后4~6年患者的非负重位膝关节影像进行回顾性分析。

最优化实验组:选择AEC组和FIXED组医师主观评价分值≥4.5分的图像(其中AEC组0例,FIXED组36例)进行医师主观图像质量评价和辐射剂量分析与回顾组进行比较。

4. 参数记录:曝光结束后记录各曝光条件下入射体表剂量(entrance surface dose,ESD)、剂量曝光指数(dose exposure index,DEI)、kV、mA或mAs值。

5. 主观评价

(1)由1名骨科主任医师和1名放射科主任医师盲法阅片,所得分数相加取均值得出医师图像评分。

(2)对假体与周围骨质关系评分:使用美国膝关节协会放射学评分系统(knee society roentgen graphic scores)^[5],以骨水泥-骨界面和假体-骨界面上的位置进行分区,共分7区(图 2),对X射线透亮线的清晰程度按区逐一进行评分:按5分值判断法,5分为清晰,4分为比较清晰,3分为模糊,2分为较不清晰,1分为不清晰。

(3)对DR图像质量评分:按5分制等级评分,5分为优,能满足诊断要求;4分为良好,能满足诊断要求;3分为一般,能满足诊断要求;2分为较差,不能满足诊断要求;1分为不合格,完全不能满足诊断要求。

图 2 骨/骨水泥/植入物位置及分区示意图 A.主观评价感兴趣区;B.客观评价感兴趣区 注:1~7为骨/骨水泥/植入物位置关系及分区;①~④为客观评价感兴趣区 Figure 2 Bone/bone cement/implant position and partition A.Schematic subjective evaluation areas of interest B.Schematic objective evaluation areas of interest

6. 客观评价:客观评价指标包括:平均像素值、噪声、信号噪声比(SNR)及对比噪声比(CNR)。 1234感兴趣区平均像素值及噪声:分别以1为2区内、近假体侧、胫骨平台下骨质;2为6区内、近假体侧、胫骨骨干骨质;3为与2平行、5区外、腓骨外侧软组织;4为与1平行、4区外、背景空气(图 2),测量像素值,测量范围约为1.0 cm²,测2次取其平均值;噪声为平均像素值得标准差(SD),自动生成。SNR、CNR值按公式(1)(2)计算:

(1)

(2)

7. 统计学处理:计量资料采用x±s表示。选用SPSS 19.0统计软件进行数据处理。 两组间ESD、DEI、mAs、mA、kV等客观参数比较,运用Pearson等级相关检验分析同组间参数关系。两组间主观参数比较,采用 Kappa 一致性检验评价两评价者间的一致性,Kappa > 0.7 为一致性较好;0.4≤Kappa≤0.7为一致性中等;Kappa < 0.4为一致性差,P < 0.05为差异有统计学意义。

1. AEC组摄影参数与辐射剂量及剂量曝光指数的关系:入射体表剂量随kV的增加而成线性减少,两者呈负相关(r=-0.973,P < 0.05),剂量曝光指数随mA的增加而成线性增加,两者成正相关(r=0.745,P < 0.05)。结果显示,在相同kV的条件下,随mA的减少ESD减少;在相同mA的条件下,DEI值随kV的增加呈先减再增的弧线型变化(表 1)。

表 1(Table 1)

表 1 AEC组不同管电压与ESD/DEI的关系 Table 1 The relationship between different tube voltage and ESD/DEI in AEC group 管电压(kV) ESD(mGy) DEI 250 mA 200 mA 150 mA 120 mA 100 mA 250 mA 200 mA 150 mA 120 mA 100 mA 55 1.201 1.192 1.181 1.175 1.172 2.31 2.30 2.28 2.27 2.26 60 0.989 0.974 0.965 0.957 0.954 2.29 2.27 2.25 2.23 2.22 65 0.848 0.835 0.826 0.816 0.809 2.27 2.25 2.22 2.20 2.17 70 0.752 0.738 0.727 0.716 0.709 2.28 2.24 2.21 2.19 2.17 75 0.665 0.649 0.637 0.627 0.611 2.32 2.27 2.23 2.21 2.19 80 0.605 0.592 0.578 0.565 0.558 2.39 2.34 2.29 2.26 2.22   注:AEC.自动曝光模式组;ESD.入射体表剂量;DEI.剂量曝光指数

表 1 AEC组不同管电压与ESD/DEI的关系 Table 1 The relationship between different tube voltage and ESD/DEI in AEC group

2. FIXED组摄影参数与辐射剂量及剂量曝光指数的关系:不同的摄影参数对ESD与DEI的关系见表 2。入射体表剂量随mAs的增加而成线性增加,两者呈正相关(r=0.845,P < 0.05);剂量曝光指数随kV、mAs增加而成线性增加,两者成正相关(r=0.628、0.674,P < 0.05)。结果显示,在相同kV的条件下,随管mAs减小 ESD显著减少;在相同mAs的条件下,DEI值随kV增加而增大。

表 2(Table 2)

表 2 FIXED组不同管电压与ESD与DEI的关系 Table 2 The relationship between different tube voltage and ESD/DEI in FIXED group 管电压 (kV) ESD(mGy) DEI 3.2 mAs 2.5 mAs 2 mAs 1.6 mAs 1.25 mAs 1 mAs 0.5 mAs 3.2 mAs 2.5 mAs 2 mAs 1.6 mAs 1.25 mAs 1 mAs 0.5 mAs 55 0.17 0.14 0.11 0.09 0.08 0.06 0.04 0.36 0.28 0.22 0.18 0.14 0.1 0.07 60 0.21 0.17 0.14 0.11 0.09 0.07 0.04 0.53 0.41 0.33 0.26 0.20 0.16 0.11 65 0.27 0.21 0.17 0.13 0.11 0.08 0.05 0.74 0.58 0.45 0.36 0.28 0.22 0.14 70 0.30 0.24 0.19 0.15 0.12 0.10 0.06 0.98 0.77 0.61 0.49 0.38 0.3 0.20 75 0.35 0.27 0.22 0.18 0.14 0.11 0.07 1.31 1.03 0.81 0.66 0.50 0.4 0.23 80 0.41 0.32 0.26 0.22 0.16 0.13 0.07 1.67 1.30 1.04 0.82 0.64 0.49 0.30   注:FIXED.手动曝光模式组;ESD.入射体表剂量;DEI.剂量曝光指数

表 2 FIXED组不同管电压与ESD与DEI的关系 Table 2 The relationship between different tube voltage and ESD/DEI in FIXED group

3. 图像质量主观评价:2名医师对AEC组和FIXED组图像质量评分的一致性好(Kappa=0.760、0.898,P < 0.05)。医师评分均值分别为(1.96±0.56)和(4.33±0.79),DEI均值为(2.25±0.05)和(0.55±0.37),AEC组医师评分与DEI呈负相关(r=-0.958,P > 0.05),FIXED组医师评分与DEI无相关性(r=0.048,P > 0.05)。

4. 图像质量客观评价:在相同投照条件下,相同感兴趣区像素均值SNR、CNR与医师评分进行相关性分析,差异无统计学意义(r=0.413,P > 0.05)。在不同投照条件下,相同感兴趣区像素均值SNR、CNR与医师评分进行相关性分析,差异有统计学意义(r=-0.895,0.690,P < 0.05)。

5. 最优化实验组与回顾组的图像质量和辐射剂量关系:最优化实验组所得数据参数与回顾组[ESD=(1.43±0.21)mGy,DEI=2.5±0.22,医师评分=1.97±0.021)]相比,优化组80、75、70、65和60 kV时的辐射剂量降低了89.5%、88.8%、88.1%、86.7%和88.1%,医师评分增加了145%、147%、149%、148%和145%(表 3,图 3、4)。

表 3(Table 3)

表 3 最优化实验组与回顾组的入射体表剂量和剂量曝光指数对比(x±s) Table 3 Optimizing the experimental group's ESD/DEI contrasts with Review group(x±s) 组别 例数 ESD(mGy) DEI 医师评分均值 80 kV组 4 0.15±0.02 0.57±0.10 4.83±0.41 75 kV组 8 0.16±0.05 0.59±0.18 4.87±0.36 70 kV组 10 0.17±0.05 0.56±0.17 4.90±0.31 65 kV组 8 0.19±0.06 0.53±0.17 4.88±0.35 60 kV组 6 0.17±0.04 0.42±0.10 4.83±0.41 回顾组 50 1.43±0.21 2.50±0.22 1.97±0.02   注: ESD.入射体表剂量;DEI.剂量曝光指数

表 3 最优化实验组与回顾组的入射体表剂量和剂量曝光指数对比(x±s) Table 3 Optimizing the experimental group's ESD/DEI contrasts with Review group(x±s)

图 3 右侧膝关节置换术后X射线影像 A.使用实验条件;B.未使用实验条件 Figure 3 The right knee arthroplasty after mold body X-ray image A.Under experimental conditions;B.Not under experimental conditions

图 4 使用实验条件后膝关节置换术后患者复查影像 Figure 4 The knee arthroplasty postoperative under experimental conditions

DEI采用探测器接受到的图像曝光剂量与实验得出的解剖预设剂量进行比较^[6],以数字形式说明结果图像的曝光度。DEI的最佳对比区域具有一定的范围和界限,且随解剖位置的不同而改变。有研究表明,DEI数值与辐射剂量呈正相关,随着辐射剂量的增加,影像质量因子反数值越高,图像质量越好^[7]。本研究结果显示:1图像质量:在膝关节DEI最佳对比区值0.42~1.27之间,DEI真实地反映了图像质量,与医师对图像质量评价具有较高相关性。2辐射剂量:自动曝光模式辐射剂量过高,曝光过度,植入物与周围骨质对比度差,无法满足临床需求,不做参考;手动曝光模式,ESD与DEI具有线性关系,在图像质量满足诊断要求的前提下,DEI越接近允许范围的最小值时,患者所受的剂量最小。

自动曝光控制作为DR使用中的首选曝光模式,以到达空气电离室的电荷量为基础^[8-9],控制曝光时间,减少辐射剂量。回顾的50例在本院行TKA术后4~6年患者的非负重位膝关节影像中均使用AEC曝光模式,ESD系统的局限性造成特殊患者的辐射剂量过高。

在关节置换术中,植入物结构为金属(钴、铬、钼)合金,参考"ASTM F799-2011"^[10]外科移植用热机加工钴铬钼合金标准计算,密度为8.43 g/cm³;股骨胫骨的垫片为聚乙烯内衬(固定型假体)或超高分子量聚乙烯盘(旋转型假体),密度为0.94 g/cm³。根据放射学中X射线的衰减规律,由于植入物的本体密度远大于正常膝关节密度,X射线能需求增加。实验证明,固定mA值时,随kV增高,X射线能量增大,穿透力增加,mAs降低,人体组织吸收的辐射剂量降低,但由于不同组织对X射线吸收差别减小,导致对比度减低,图像质量降低。有文献报道,使用的日本柯达DR 3000数字X射线机,通过设置电离室自动曝光密度补偿值为"-2",可以解决髋关节置换患者的影像图像过度曝光并降低辐射剂量^[11]。

对同一患者,单纯增加某一参数提高曝光量来改善图像质量的行为违背了辐射防护最优化(ALARA)原则。通过实验所得,单独增加kV值或mAs值,随曝光量的增加,患者受到的辐射计剂量增加,图像质量下降。为避免盲目的选择摄影条件,本组使用FIXED模式,进行个体化摄影参数设定,寻求最低的辐射剂量得到能满足诊断要求的图像摄影参数,并在辐射剂量与图像质量间找到最佳平衡,达到最优化。

FIXED模式删除了电离室的选择,固定kV值和mAs值,调节mA值,通过实验分析得出,mA值与DEI和ESD的相关性差异无统计学意义。因此,可以仅通过调整mAs值,达到控制ms和mA值的目的。

本研究以最难穿透处得到最适宜的诊断密度为标准,经实验分析得出:ESD、DEI受mAs值的影响远大于kV值,增加mAs值,曝光量增加,患者的辐射剂量增加,探测器所探测的信息量增加,图像灰度值增加,图像质量变差。在满足穿透力的前提下,继续增加kV值只会影响图像灰度值。合适的曝光条件是获得高质量图像、优化辐射剂量的关键,为寻求其间的最佳平衡点,选择影像评分在5分值图像为最优化实验组技术参数与回顾组进行对比分析,辐射剂量显著降低,图像质量显著增加。

ACE以优异的图像质量,最优化的曝光剂量,作为DR使用中的首选曝光模式。但系统的局限性和患者的特殊性,在实际工作中,不但得不到高质量的医学影像学资料,而且让患者受到较大的辐射剂量。在当今"影像精准、技术先行"为发展方向的医学技术领域,倡导通过单纯的技术操作,发挥设备、软件功能的最优化,这使得X射线曝光系统的合理选择及曝光参数的设定更为重要。因此,本研究推荐80 kV/1.25~1 mAs、75 kV/2~1 mAs、70 kV/2.5~1.25 mAs、65 kV/3.2~1.6 mAs和60 kV/3.2~2 mAs为手动曝光条件最优化区间。本研究尚存在一定的局限性,模体采用尸体标本,由于组织萎缩、失水、无血液成分等原因,所需曝光量是否在活体适用还需进一步研究;研究对于高kV下附加Cu滤过是否可以更好地降低辐射剂量,也需要进一步研究。