数字化 X 线摄影中不同管电压设置对胸部图像对比度的影响及技术参数适配分析

前言

胸部 X 线摄影是临床最常用的影像学检查手段之 ，广泛用于肺炎、肺结核、肿瘤等疾病的筛查与诊断。数字化 X 线摄影（DR）凭借高分辨率、低辐射剂量及后处理便捷等优势，已逐步取代传统胶片摄影，成为胸部检查的主流技术 [1]。图像质量是影响诊断准确性的核心因素，而对比度作为关键指标，直接决定了肺野、纵隔、胸壁等不同组织的区分能力——例如，清晰的肺野与纵隔对比度可帮助识别早期肺内结节，胸壁与肺野的对比则有助于发现胸膜病变。管电压（kV）是 DR 成像中调控 X 线能量的核心参数，其通过影响 X 线穿透能力改变组织吸收差异：低管电压时，X 线能量较低，易被密度差异大的组织（如肺与纵隔）吸收，对比度较高，但散射光子多、噪声大；高管电压时，X 线穿透力强，散射减少、信噪比（SNR）提高，但组织吸收差异缩小，可能导致对比度下降[2]。目前，临床对胸部 DR 管电压的选择仍存在争议 [3]：部分机构倾向于低管电压以追求高对比度，另一部分则偏好高管电压以减少运动伪影。此外，管电压与管电流（mAs）、曝光时间等参数的适配关系也尚未形成统一标准，可能导致图像质量不稳定。本研究通过系统分析不同管电压对胸部图像对比度、SNR 及主观质量的影响，结合自动曝光控制（AEC）下的参数变化规律，探讨最优技术参数组合，为临床胸部DR 检查的规范化提供依据。

1、资料与方法1.1 一般资料

选取 2023 年 1 月至 2024 年 3 月在我院行胸部 DR 检查的患者 150 例，纳入标准：①年龄18~70 岁；②无严重胸廓畸形、大量胸腔积液或气胸（避免干扰组织对比度测量）；③检查前未接受胸部手术或放疗。排除标准：①图像存在明显运动伪影；②体重指数（BMI）>30kg/m²（肥胖可能显著影响X 线穿透性）。采用随机数字表法分为5 组（每组30 例），各组年龄、性别、BMI 比较差异无统计学意义（ ），具有可比性（表1）。

1.2 设备与方法

采用西门子 DR 系统（Multix Fusion），拍摄体位为胸部后前位，焦片距 180cm ，照射野覆盖全胸廓。管电压分别设置为 60kV、80kV、100kV、120kV、140kV，开启AEC 模式（探测野覆盖肺野及纵隔），由设备自动调节 mAs 以保证探测器接收剂量一致（靶值 1.5μGy）。所有图像均经标准化后处理（窗宽 1500HU，窗位 - 500HU）。

1.3 图像分析

1.3.1 客观指标测量

在图像后处理工作站选取感兴趣区（ROI）：肺野：上叶尖段（避开血管影，ROI面积 100mm²）；纵隔：主动脉弓水平（ROI 面积 100mm²）；胸壁：胸大肌区域（ROI面积 100mm²）；背景噪声：图像边缘无组织区域（ROI 面积 50mm²）。计算：对比度：包括肺野 - 纵隔对比度、胸壁 - 肺野对比度，公式为（高灰度值 - 低灰度值）/（高灰度值 + 低灰度值）；SNR：（肺野平均灰度值）/（背景噪声标准差）。由 2 名医师独立测量 3 次，取平均值。

1.3.2 主观质量评分

3 名副主任医师以上职称医师采用双盲法评分，指标包括：肺纹理清晰度（1~5 分）；纵隔结构显示（如主动脉、气管分叉，1~5 分）；横膈与肋膈角显示（1~5 分）；整体诊断价值（1~5 分）。总分 σ=σ 各项平均分，分值越高表示图像质量越好。

1.4 统计学方法

采用 SPSS26.0 软件，计量资料以均数 ± 标准差 (-x±s) 表示，多组比较采用单因素方差分析，两两比较用 LSD-t 检验；计数资料用 χ2 检验。主观评分一致性采用 Kappa 检验（Kappa>0.75 为一致性良好）。 P<0.05 为差异有统计学意义。

2、结果

2.1 不同管电压下客观指标比较

肺野- 纵隔对比度：随管电压升高显著降低（ P<0.05 ），60kV 时最高（ 0.38±0.05 ），140kV 时最低（ 0.15±0.03 ）（表2）。胸壁- 肺野对比度：随管电压升高呈先升后降趋势，100kV 时达最高 ( 0.22±0.04 ），与其他组差异有统计学意义（ 。SNR：随管电压升高显著升高（P<0.05），140kV 时最高（ ），60kV 时最低（ ）。

2.2 不同管电压下主观评分比较

Kappa 检验显示，3 名医师评分一致性良好（ Kappa=0.82 ）。总分：80kV、100kV组显著高于其他组（ _P<0.05) ），其中 100kV 组最高 ；分项评分：80kV、

100kV 组在肺纹理清晰度、纵隔结构显示方面评分最优（均 ^>4 分），60kV 组因噪声大评分较低，140kV 组因对比度不足导致肺纹理模糊（表3）。

3、讨论

本研究通过对比不同管电压下胸部 DR 图像的客观指标与主观质量，系统揭示了管电压对图像对比度、信噪比及辐射剂量的调控规律，为临床参数优化提供了实证依据。管电压对图像对比度的影响呈现显著的剂量 - 效应关系。低管电压（60kV）时，X线光子能量较低（平均 30-40keV） 与人体组织的光电效应占比升高，导致密度差异显著的组织（如含气肺野与软组织纵隔）吸收差异放大，因此肺野 - 纵隔对比度达到最高值（ 0.38±0.05 ）。但这一优势伴随明显代价：低能光子散射率增加（康普顿效应占比上升），叠加 AEC 系统为维持靶剂量（1.5μGy）而补偿的高 mAs（32.5±5.2mAs）， 导致图像噪声显著升高，SNR 降至最低（52.3±6.8）。这种高对比度- 低信噪比的矛盾在临床中表现为：虽然纵隔轮廓清晰，但肺纹理细节模糊，尤其对直径<5mm 的肺内微小结节识别能力下降，与主观评分中60kV 组肺纹理清晰度评分最低（ ）的结果一致。

随着管电压升高，图像质量呈现动态变化。80-100kV 区间内，X 线光子能量（平均 45-55keV）恰好匹配胸部组织的衰减特性：既能保持肺野与纵隔的适度吸收差异（肺野 - 纵隔对比度 0.25-0.31），又因散射光子比例降低（高能光子穿透性增强），SNR 提升至 65.7-76.5。这一区间的突出优势体现在胸壁 - 肺野对比度的优化：100kV 时该指标达峰值（0.22±0.04），其机制可能与中等能量光子对胸壁肌肉（软组织，有效原子序数7-8）与肺野（含气，有效原子序数约7）的选择性衰减有关——既避免了低管电压下胸壁过度吸收导致的信号饱和，又未出现高管电压下穿透性过强引发的对比丢失 [4]。主观评分进一步证实，此区间内肺纹理清晰度（4.2-4.3 分）、纵隔结构显示（4.3-4.4 分）均达到最优，说明80-100kV 在组织区分度与细节可见性之间实现了最佳平衡。

高管电压（120-140kV）的表现则呈现“双刃剑”效应。一方面，高能光子（平均60-70keV）散射显著减少，SNR 升至 82.4-89.6，且 AEC 调节下 mAs 降至 8.6-15.3mAs，辐射剂量显著降低（较 60kV 减少约 70%），符合 ALARA 辐射防护原则。但另一方面，组织吸收差异的缩小导致肺野 - 纵隔对比度降至 0.15-0.20，主观评分中肺纹理清晰度（3.2-3.8 分）和纵隔结构显示（3.0-3.7 分）明显下降。尤其在 140kV 时，部分病例出现肺门区血管与纵隔边界模糊，可能与高能 X 线对不同软组织（如血管壁与周围脂肪）的穿透性差异减小有关，这对早期肺癌的胸膜侵犯评估构成潜在干扰[5]。

参数适配的临床启示在于“个体化调控”：对于 BMI<22 的瘦弱者或儿童，80kV可在保证对比度的同时减少辐射剂量；对于BMI22-28 的普通体型，100kV 能兼顾细节显示与成像效率；对于 BMI>28 的肥胖患者，需适度提高至 110-120kV 以克服组织衰减，但需通过增加曝光时间或启用多脉冲模式补偿可能的对比度损失。此外，结合靶物质特性优化参数：如怀疑胸膜病变时，可适当降低管电压至80kV 以增强胸壁 - 肺野对比；排查肺内小结节时，优先选择100kV 以提升SNR[6]。

本研究的局限性在于未纳入极端体型（BMI<18 或 >35 ）患者，且未探讨管电压与曝光时间的交互作用。未来可进一步开展亚组分析，结合体模实验量化不同体型的最佳kV-mAs 组合，为胸部DR 的精准参数设置提供更细致的指导。

综上所述，数字化 X 线胸部摄影中，管电压通过改变 X 线能量影响图像对比度、SNR 及辐射剂量。80~100kV 为平衡图像质量与辐射安全的最优区间，可清晰显示肺纹理、纵隔等关键结构。临床实践中，应根据患者体型、检查目的动态适配 mAs 等参数，以实现个性化优化成像，提高诊断准确性。

参考文献

[1] 任国月 , 郭思明 , 秦峰 , 等 . 医用乳腺 X 线机管电压量传技术研究 [J]. 计量学报 , 2024, 45(12):1892-1899.

[2] 王彻, 王旭, 王铖翊, 等.X 线机管电压补偿实验装置的研究与设计[J]. 实验科学与技术 , 2022, 20(4):5.DOI:10.12179/1672-4550.20210403.

[3] 林郑春 .X 线机管电压补偿电路的设计与研究 [J]. 电子元器件与信息技术 ,2023(10):21-25.

[4] Rehman K U . 基于机器学习和乳房 X 光图像评估的乳腺癌预测技术研究 [D]北京工业大学 ,2023.

[5] 林袁碧 , 徐维敏 , 秦耿耿 , 等 . 乳腺 X 线不同曝光模式的图像质量对比 [J]分子影像学杂志 , 2024, 47(3):311-314.

[6] 白亚妮, 余厚军.5 款数字乳腺X 线摄影系统质量控制检测与分析[J]. 实用放射学杂志 , 2020, 36(7):6.DOI:10.3969/j.issn.1002-1671.2020.07.030.