移動式小C臂X光機的技術進展 - 亞洲健康互聯

移動式小C 臂X 光機是近台操作，工作過程對患者和醫護人員易造成機械傷害。

在20 世紀60 年代，為了適應各種不同的X 線特殊檢查而設計出 ... 首頁 最新消息 最新消息 新聞資訊站 產業觀測站 生技電影 生技生活 活動講座 記者會資訊 展覽研討會訊息 產業資訊 生技報導 製藥報導 醫材報導 銀髮報導 生物經濟 精準醫療 媒體列表 MDNews生技與醫材報導 中國醫療設備 多媒體影音 人物專訪 可技轉授權標的 產業新品 生技電影 展會與活動報導 精準醫療 訂購專區 商機課程 雲朵會員 商機導覽交流團 行業數據調查報告 展會行銷方案 聯絡我們 廣告機會-HEA網站 廣告機會-HEA電子報 廣告機會-中國醫療設備雜誌 聯絡我們 首頁產業資訊醫材報導醫材產業移動式小C臂X光機的技術進展 移動式小C臂X光機的技術進展 來源:中國醫療設備2018第5期update:2018/07/27 引言 1895年，倫琴在做真空管高壓放電實驗中，意外地發現了一種不可見的、具有很強穿透能力的射線，他將這個性質不明的射線叫做X射線；隨後為其夫人拍攝了手的照片，成為世界上第一張X線照片。

1896年，研製出了第一支X線管[1]；從此，各種X線設備相繼出現，標誌著放射醫學的開始。

醫用X光機已經歷了一百多年的發展歷程[2]，移動式小C臂X光機亦經歷了半個多世紀的發展，現憑藉其便攜、即時的優勢成為手術中圖像引導不可或缺的設備，在醫院診療過程中發揮了十分重要的作用[3]。

醫院普通X光機都是隔窗工作方式，而移動式小C臂X光機是近台操作，電離輻射、機械故障可能給患者及醫護人員帶來不同的傷害。

隨著公共放射防護安全意識的提高，移動式小C臂X光機的圖像品質、劑量輻射等方面逐漸受到更多的關注。

近年來，隨著電子技術、電腦技術、智慧技術的發展，移動式小C臂X光機在優質圖像、低劑量技術、人類工程學設計方面得到了較大發展[4]。

1優質圖像 20世紀30年代末至40年代初，早期的小C臂沒有圖像顯示裝置，只能採用掌上型的螢光透視裝置工作。

隨著影像增強器的問世，醫用X線電視系統取締了以往的暗室X線透視。

由於它的電視圖像亮度遠遠優於暗室螢光屏圖像，很快成為影像醫學領域中一種重要的圖像顯示方式。

近些年來，全球幾大生產移動式小C臂的公司逐步實現了從X射線發生、X射線檢出、圖像形成、影像處理到圖像顯示的優質圖像形成系統。

移動式小C臂圖像品質得到較大提升。

X光機成像品質的一個關鍵性的參數是清晰度，影響清晰度的因素有很多，但其中有效焦點的大小是影響清晰度的一個重要參數。

因為有效焦點越大，投影時所產生的半影也越大，而影像的邊緣就愈模糊，這對疾病的診斷極為不利[5]。

有效焦點越小，成像品質越高；但是焦點越小，暫態負載功率越小。

近幾年來，用在移動式小C臂X光機上的固定陽極的X線管焦點都有兩個，小焦點尺寸為0.5~0.6mm，大焦點尺寸為1.4~1.8mm，小焦點用於透視，大焦點用於拍片；旋轉陽極的X線管焦點常用的小焦點為0.3mm，大焦點0.6mm。

旋轉陽極X射線管有效地提高了暫態負載功率，還可適當減少靶面傾角，使有效焦點進一步減小。

影像增強器是射線即時成像的，把穿透人體的X射線轉換為可見光，一旦停止曝光後圖像就消失。

為了進行影像處理，影像增強器需要與攝像系統配合，把圖像拍攝下來轉化為電信號進行處理。

在二十世紀九十年代之前，醫用X線電視設備都是採用傳統的真空管式電視攝像技術；隨著電荷耦合元件（ChargeCoupledDevice，CCD）成像技術的問世及發展，國外各大公司，如東芝、西門子和飛利浦等都開始批量推出CCD醫用X線影像增強器電視設備。

早期的CCD攝像機都是普通電視制式的768×576，40萬圖元；現在用於移動式小C臂X光機上的CCD都是百萬圖元。

40萬圖元的C形臂解析度只有1.4LP/mm（LinePair,LP），而100萬圖元的C形臂解析度至少能達到2.0LP/mm。

相比於真空攝像管，CCD攝取的圖像具有更加豐富的灰度層次，圖像保真度更高，從而獲得較高的高清晰度影像[6]。

小C臂作為醫學影像設備，其影像處理功能的強弱決定了圖像品質。

沒有經過處理的透視圖像雜訊非常多，圖像品質差。

隨著電腦技術的應用，數位影像處理就廣泛地應用到小C形臂中。

高級的影像處理器可以實現智慧組織識別，即時選擇最佳的亮度和對比度，即時智慧實現邊緣增強、聚焦和放大[7]等功能。

移動式小C臂X光機已經基本淘汰顯像管監視器，絕大部分都採用了液晶顯示（LiquidCrystalDisplay，LCD）監視器。

醫用LCD監視器分為彩色監視器和黑白監視器，彩色監視器亮度比較低，一般為250cd/m2（cd-candela），特殊設計的可以達到600cd/m2；黑白監視器大多都是高亮度和高對比的，亮度可以達到700～1000cd/m2，對比度可以達到900:1[8]。

經過臨床應用，發現在黑白監視器能看到的細節在彩色監視器上也能看到，因此醫用LCD監視器不管是彩色的還是黑白的，都能很好的滿足臨床的需求。

近20年來，數位化成像設備取代了傳統的屏膠成像模式，它的核心技術是平板探測器。

平板探測器是一種精密和貴重的設備，對成像品質起著決定性的作用。

主要有直接成像的非晶硒平板探測器和間接成像的非晶矽平板探測器。

因受硬體設備的制約，雜訊是數位化攝影圖像的重要因素，除固有雜訊外，散射雜訊和熱雜訊等在圖像中佔有很大一部分比例。

基於空間域、頻率域和時間域的高度複合的圖像增強演算法，同時達到對比度增強和細節增強的目的，並在增強的同時抑制了圖像中的雜訊，在數位化X線圖像應用中取得了明顯的效果，有效地提高了圖像品質[9]。

2低劑量技術 X射線是一種電離輻射，人體長時間連續或間接接受超過課題限值的輻射可引起人體損害[10]，有可能提高癌症的發病率[11]。

國際放射防護委員會提出，X射線檢查應該遵循實踐正當性與防護最優化的原則[12]，所以利用必要手段降低輻射劑量尤為重要[13]。

近年來，應用於移動式小C臂X光機的低劑量技術有X射線球管的改進，曝光方式，圖像採集方式的改變等，都有了較大的突破。

2.1X射線球管的發展 離子X射線管（1895~1912年）是X射線設備的早期階段，使用效率很低的含氣式冷陰極離子X射線管，效率低，穿透力弱，缺乏防護，當時拍攝一張X射線骨盆像，需長達40~60min的曝光時間，照片拍成以後，患者的皮膚被X射線燒傷。

隨著電磁學、高真空技術及其他學科的發展，陸續誕生了電子X射線管、雙焦點X射線管等，開始了X射線透視和攝影的應用。

從此，X射線管逐步向大功率、小焦點和專業化方向發展，其結構不斷改進，先後出現了固定陽極、旋轉陽極以及各種特殊X射線管[14]。

一般來說，小於5kW的X射線管陽極採用固定陽極，大於5kW的採用旋轉陽極。

旋轉陽極X射線管，可以通過較大的管電流，而且可以縮短曝光時間，減少醫生和患者的輻射量，得到越來越廣泛的應用。

在C形臂中，大多採用一體化球管，也稱組合機頭，把球管和高壓發生器集成在一個油箱中，由於高壓發生器會產生熱，為了提高一體化球管的長時間工作能力，有部分廠家在油箱上外加了水冷迴圈。

對於高壓發生器來說，頻率越高，高壓紋波越小，軟射線越少，也就是對患者的傷害越小。

為了消除X射線管鎢沉積層的影響，近年來生產了一種金屬陶瓷大功率旋轉陽極X射線管，把普通旋轉陽極X射線管的玻璃殼更換為金屬和陶瓷組合而成，金屬和陶瓷之間的過濾採用鈮，用銅焊接，消除了玻璃殼那種由於鎢沉積層所致X射線管損壞的危險，可以將燈絲加熱到較高的溫度，提高了X射線管的負荷。

東芝MDX-8000A多功能C形臂採用的瓦裡安旋轉陽極三焦點金屬殼X射線管[15]，可在低管電壓條件下使用較高的管電流，增強射線穿透性，從而縮短患者輻射時間，減少輻射劑量。

2.2曝光模式 移動式小C臂X光機具有透視功能和膠片拍片功能，由於它的拍片功率比最普通的200mA機器都小，並且隨著DR（DigitalRadiography）的普及，模擬拍片已經逐漸退出了。

現在的移動式小C臂在大多數醫院只是在手術室做透視用。

小C臂的常見曝光模式有連續透視、自動曝光控制和脈衝透視。

連續透視模式延續了傳統的X射線成像的原理，診斷過程中連續的X射線照射，使得作為敏感器件的影像增強器能夠及時或動態地連續反映被照物體的變化和移動，同時，醫患人員承受的輻射劑量相應較大[16]。

自動曝光模式是有一個缺省的kV、mA，機器會自動根據採集到的圖像亮度和預置的亮度作比較，經過運算控制後即時輸出新的kV、mA調節，反復多次後使圖像亮度達到預設亮度後kV、mA不再變化，保持恒定輸出。

在這個調節過程中的X射線對患者是沒有多大用途的，增加了患者和醫護人員的輻射傷害。

現在的移動式小C臂X光機大多採用脈衝透視。

傳統意義上的脈衝透視是通過控制X射線發生器間斷地工作，在射線發生期間使顯示圖像持續刷新，間斷期間利用影像增強器內部的視頻圖像系統保持和傳送X射線間歇之前的最後一幀採集圖像，從而獲得較低的平均輻射劑量[17]。

近年來，實現X射線脈衝透視的方法有多種。

其中數位脈衝透視技術的應用越來越普遍，它是利用X射線管柵控技術形成具有幾檔脈衝率的數位化的脈衝透視。

相比於連續透視，脈衝透視的劑量可以大幅度降低[18]，GE公司生產的BrivoOEC850做過對比，每秒脈衝數（PulsesPerSecond，1PPS）相當於1s內有50ms在曝光，1PPS可降低95%的劑量，2PPS可降低90%的劑量，4PPS可降低80%的劑量，8PPS可降低60%的劑量，並且國家食品藥品監督管理局有評估報告稱，OEC850最低輻射劑量率達到0.067μGy/s，相比于普通透視模式下國標的要求0.88μGy/s降低了很多。

在脈衝透視的臨床應用中，選擇的脈衝率越低，曝光劑量越小，醫患人員受輻射的劑量越少，但是影像連續性越差，偽影越重，不利於手術操作者觀察器官或結構的影像，不同部位選擇不同的脈衝率，做到降低輻射劑量與保證影像品質的統一。

2.3圖像採集方式 在X射線成像系統中，作為核心部件的影像增強器是在1948年研製，並於20世紀50年代問世。

影像增強器是將不可見的X射線圖像轉換為可見光圖像，並使圖像亮度增強。

基於X射線影像增強器而建立起來的醫療電視系統，大大降低了患者在診斷時所受的X射線輻射劑量[14]，所用的X射線劑量僅是直接攝影的1/10，為螢光板透視的1/50。

數位化X射線攝影，是上世紀90年代發展起來的X線攝影新技術，以其更快的的成像速度和更高的對比度解析度等顯著特點，成為X射線攝影技術的主導方向。

數位平板移動式小C臂如：GE公司的OECMiniview，西門子的Arcadisorbic3D和奇目的VisionFDVario3D等都配置了全數位化平板探測器，相比于影像增強器，帶人體信號的X射線直接作用於平板探測器，避免了信號轉換中的損失，提高了X射線的利用率，成像速度大幅度提高[2]，獲得所需圖像資訊的時間只需30～60s，輻射劑量和輻射時間也隨之降低。

還有部分移動式小C臂X光機安裝有智慧軟體，比如：智慧曝光管理，就是在衡量患者劑量和圖像品質上找到一種最佳的透視模式，在1s內自動調整劑量，降低不必要的患者輻射劑量。

此外，還有放射劑量的自動顯示技術，尾幀圖像自動存儲功能等。

3人類工程學設計 C形臂，因其外形類似于英文字母C，故被稱為C形臂。

移動式小C臂X光機是近台操作，工作過程對患者和醫護人員易造成機械傷害。

在20世紀60年代，為了適應各種不同的X線特殊檢查而設計出C形管頭支援裝置，它的結構主要由支架、L臂（橫臂）、C臂3部分組成。

以支架結構不同，C臂有落地式和懸吊式之分。

移動式小C臂多為落地式[19]。

小C臂機架比較重，運動較多，在支架上L臂（橫臂）帶動C臂繞水準軸轉動，在L臂（橫臂）的軌道上C臂可沿自身弧度繞虛擬球心轉動。

要體現它的靈活性和適應性，對其材料的要求比較高，具有材料輕，強度高，耐腐蝕，耐磨性好等特點，目前市場上大多運用鋁合金，以6063居多[20]。

2016年9月，GEOECEliteMiniview面世，它的機械臂的設計靈感來源於太空梭的太空臂，由複合碳纖維材料製成，在保證機械強度的同時，更兼顧了輕便靈活的特性。

在它的機械臂上有5個軸，可以擺成任何想要的形態，可以折疊收起的C形臂，能為手術室節省70%的空間。

近幾年來，一體機的出現，就更體現了移動式小C臂的小巧便攜，靈活性好，精度高，速度快，掃描範圍廣等特點[21]。

GE公司生產的Fluorostarcompact的和德國奇目Ziehmsolo這兩款一體機設備，發揮較大效能的是符合人類工程學的把手和刹車的製造工藝，另外還有精確的定位功能，C形臂的軌道和顱尾的旋轉是由精確的摩擦力來控制平衡的，不需要頻繁的啟鎖和解鎖。

為了預防影像增強器壓住患者，部分小C臂機的軟體具有防碰撞功能，能自動計算某些部件有可能發生碰撞，自動預警；利用感測器感受周圍物體的距離，自動實現將C形臂的運動速度降低或停止，並且在機架顯示器上有報警閃爍提示[22]，更大程度上保證了患者的安全。

4結束語 移動式小C臂X光機技術領域的快速發展，為臨床醫學實踐帶來了極大地好處，比如在泌尿外科手術中結石的尋找[23]、骨科手術中的廣泛應用[24]等，減少了手術時間，提高了定位精確度，優化手術細節。

但是對於經常需要進行正位元和側位的脊柱手術，移動式小C臂X光機就不能同時成像正位元和側位元圖像，需要更多的重新定位的時間。

G形臂的出現，開創了手術即時定位的新紀元，但是G形臂的靈活性不如小C臂，只能沿著床的方向橫向移動。

現有移動式小C臂X光機都是二維影像，其影像都是多組織的重疊，圖像易出現干擾。

現在錐形束平板接收器的CT技術逐漸成熟，它是一種三維成像技術，具有放射劑量小、解析度高、掃描時間短、精確度高的優點[25]。

當球管和平板接收器在C形軌道上繞患者均勻旋轉連續拍攝X光圖像，形成連續的三維斷層圖像，其優勢是二維C臂不可比擬的，這將是移動式小C臂X光機的一大進步。

希望未來在優化移動式小C臂X光機掃描參數、發展影像反覆運算重建技術和新型遮罩材料等方面探索出更多的造福於人類的方法[26]。

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