[DSA] 决定数字血管造影系统综合性能的关键参数研究

一、购买数字血管造影系统的目的：
    放射介入学的出现，彻底改变了放射学在医学中的地位，使放射学不仅能够诊断，而且能够治疗，并将诊断与治疗有机的结合起来，它已渗透到了临床学科的每一领域，其展示的优势是其他治疗手段所难以比拟的，它最大的优点是组织创伤小、适应症广、操作简单、疗效确切、并发症少，已成为微创医学重要的组成部分。如今，基于数字血管造影系统指导的介入放射学已发展成为内科、外科以外的第三种有效的临床治疗方法和手段。
目前在我国介入医学技术的临床应用可概括为以下几方面：肿瘤的介入治疗、门脉高压症的血管内介入治疗、非肿瘤性病变及微血管病变的血管内介入治疗、急性出血的动脉内拴塞治疗、非血管内介入治疗、细胞/分子（基因）水平的介入治疗、心脏介入治疗、神经介入治疗等领域。
购买数字血管造影系统的目的就是为了在上述临床应用领域，提高医疗质量，降低医疗风险，获得受益；达到这个目的的方式就是减少漏诊误诊，提高诊断符合率和手术精度，这一切都基于通过获得优异的图像质量来实现，而要获得优异的图像质量，数字血管造影系统必须拥有技术先进、性能稳定的影像链。因此，数字血管造影系统影像链的质量和性能是决定该系统综合性能的关键因素。
二、数字血管造影系统的分类和成像原理
    目前市场上数字血管造影系统分类：根据设备的机械结构不同可分为数字化多功能X线机、数字化C臂X线血管造影系统；数字化C臂X线血管造影系统又可分为悬吊式和落地式数字化C臂X线血管造影系统，数字化单C臂X线血管造影系统和数字化双C臂X线血管造影系统；根据X线系统高压发生器功率和输出管电流大小可分为大型C臂数字血管造影系统和中型或小C臂数字血管造影系统；根据影像链成像介质不同可分为影像增强器/CCD数字血管造影系统、平板探测器数字血管造影系统、数字血管造影系统与多层螺旋CT混合的DynaCT等；此外，根据成像原理不同可分为传统血管造影和数字减影血管造影系统。
传统血管造影和数字减影血管造影（DSA）的手术操作方法基本相同，前者直接在X线胶片上显示血管影像，DSA是通过计算机处理后的数字化影像。DSA的成像原理为：在计算机控制下，X线穿透人体后，经影像增强器增强，由摄像机将增强后的未注射对比剂图像和注射过对比剂的图像信息进行采集，并将前者与后者相减获得一张数字化图像，再经数/模转换器转换成减影图像。平板探测器数字血管造影系统的最大特点是：由平板探测器取代了传统影像链的影像增强器/CCD-TV系统和A/D转换系统，减少了影像链模/数转换中产生的噪音和畸变，使X线信号得到最大限度的利用，既大幅度降低X线照射剂量，还能在任何背景下都获得清晰的血管造影和减影图像。

三、决定数字血管造影系统综合性能的关键参数
1、整机性能稳定性
    整机性能稳定性如何取决于品牌和整机零部件来源的一致性。品牌价值是产品质量最简约的保证，品牌知名度和美誉度越高，品牌价值越高。而零部件来源的一致性和品牌的同一性，决定了影像链性能的稳定性和零部件间的相互适配性高低。在数字血管造影设备领域，目前主流品牌依然是欧美产品，以SIEMENS、PHILIPS、GE为主。
    由于各企业经营理念的差异，目前主要有两种生产方式，一种是从数字血管造影设备的设计到生产走的是一条系统整体设计的一体化道路，这种模式是：为获取优质图像，X线球管、影像增强器/CCD系统、A/D转换电路、或平板探测器等各零部件之间是预先经过统一规划和设计考虑的，对数字化X线图像信号获取的整个成像链各环节都有质量要求，对造影系列图像的获取有时间轴上的X线稳定性要求，对数字图像处理系统有快速、实时、高分辨率、图像灰阶多的要求，从X线机到X线电视系统或X线平板探测器系统到数字图像系统都由同一品牌公司提供，且所有这些决定了数字血管造影系统的性能先进性和系统稳定性，并进而影响图像质量。西门子、飞利浦、北京万东的数字血管造影系统即采用这种模式生产。
    另一种生产方式是采用零部件全球采购模式生产，即X线球管、影像增强器/CCD系统、A/D转换电路、或平板探测器等基本来自外购，从X线机到X线电视系统或X线平板探测器系统到数字图像系统由多家不同的公司提供，设备供应商仅仅是品牌拥有者或影像链中某个零部件的生产商，其整机生产过程实质上就是组装集成过程，类似于在电脑市场采购零部件组装电脑，故业内常将此类设备戏称为“兼容机”，GE、沈阳东软等公司的数字血管造影系统基本采用的是第二种模式生产。
    在数字血管造影系统领域，国内主要生产厂家如北京万东、沈阳东软等公司生产的数字血管造影系统，无论从性能还是质量，与上述主流品牌间的差异已变得越来越小，尤其是北京万东公司最新推出的平板探测器全数字血管造影系统，其各项性能指标和整机性能稳定性与进口同类产品甚至与某个进口主流品牌产品比较，已没有明显差异。
    行业中有种幽默的说法，较形象地比喻个品牌产品：美国人精于做市场，GE是商人开的公司，故GE生产最好卖的设备；德国人精于做产品，SIEMENS是工程师开的公司，故SIEMENS生产最好用的设备；荷兰人爱美，PHILIPS是艺术家开的公司，故PHILIPS生产最漂亮的设备；日本人精于算计，东芝是会计开的公司，所以东芝生产全同步寿命产品；中国人善于仿制，万东是天才开的公司，故生产质优价廉的产品。
2、影像链技术的先进性
    数字血管造影系统的影像链由X线高压发生器、X线球管、影像增强器/CCD-TV/模数转换系统或平板探测器、图像后处理系统等组成。
2.1、X线高压发生器：主要有工频高压发生器和高频逆变高压发生器，后者又可分为连续式高频逆变高压发生器和计算机控制的脉冲式高频逆变高压发生器。数字血管造影系统均采用高频逆变高压发生器，GE、Philips采用的是连续式高频逆变高压发生器，其脉冲采集时的脉冲波依靠X线球管内的栅极开关控制产生，该型高压发生器结构相对简单，技术难度相对较低，造价也相对低廉，但稳定向较高，故障率较低。Siemens、万东采用的是计算机控制的脉冲式高频逆变高压发生器，其脉冲采集时的脉冲波直接由高压发生器产生，该型高压发生器制造工艺复杂，技术难度较高，造价也相对昂贵。
    栅控技术是上个世纪由岛津公司最先应用在DSA上，其目的是产生脉冲透视，原理是在球管的阴极和阳极之间附加一个栅极开关，以切断或接通阴极打在阳极靶面的电子束来控制X线的产生。由于DSA系统具有较大的电流，栅极在高电子束作用下容易出现损害，而且由球管内的栅控开关的开合过程产生脉冲波，影响了射线垂直度和均整度，在脉冲透视时，其X线能量下降50%，而脉冲式高频高压发生器则完全避免了上述弊端，所以目前已经逐渐被一级发生器控制产生脉冲透视（脉冲式发生器技术）而取代。
    高档数字血管造影系统通常采用微机控制的大容量脉冲式高频逆变式变压器，功率达100KW，高压范围40—125kV，最大电流1000mA(100kV)，具备脉冲透视功能，以适于超短时间、低电压、大电流连续脉冲式动态采集的需要。同时还能自动根据成像区衰减状态调整kV、mA等参数，使X线管保持最佳负荷状态，在安全辐射剂量范围内获取最佳图像质量。以下为西门子、GE和飞利浦三家公司产品的比较：

X线发生器

西门子

飞利浦

GE

技术

计算机控制脉冲式

连续式

连续式

功 率

100 kW

100 kW

100KW

电 压 范 围

50 - 125 kV

40- 150 kV

60 - 125 kV

电 流 范 围

100 - 1000 mA

20 - 1000 mA

1000 mA

最短曝光时间

0.5 ms

1ms

1ms

自 动 曝 光 控 制 或 需 测 试 曝 光

不需测试曝光,从 透视值的物体厚 度计算设定曝光 参数
需 要 测 试 曝 光

用 半 剂 量 作 测 试 曝 光

    最短曝光时间短能够提高X线质，从而减少软射线的产生，最终提高图像质量，这是整个高压发生器的关键参数。在设备的实地考察时，应用手触摸和用耳听刚刚做完手术的机器高压发生器是否发烫，电流声可否听到，以了解高压发生器的性能优劣和机器本征噪声大小，这将影响设备连续工作能力强弱和图像信噪比高低。
2.2、X线球管：各生产厂家均较注重新型球管的研发，从固定阳极到旋转阳极、从单焦点到双焦点再到三焦点、从滚珠轴承到滚针轴承再到液态金属轴承再到电子束控技术、或采用飞焦点技术、或采用阳极接地技术、或采用航天散热涂料等，均是为实现球管耐用、耐热、提高射线束质量的目的。
    目前在高档数字血管造影系统，为满足连续脉冲曝光，采集高品质动态影像的要求，应使用小焦点、高热容量容量、高负荷、高转速、散热率高的x线管。目前最先进的是采用液态金属轴承技术，避免了普通球管在高转速情况下轴承的磨损，不仅散热效率增加，更大大提高X线管承受连续负荷的能力，提高了球管的寿命，同时降低了设备的本征噪声，提高图像的信噪比。
    球管焦点大小决定图像的锐利度和对比度高低。为提高分辨率，焦点应尽可能小。目前，平板探测器数字血管造影系统配置x线管的旋转阳极靶面角度8-12度，通常要求具备3个焦点，焦点大小范围0．3—1．Omm。同时一些行之有效的综合技术手段被用于提高影像质量并减少患者和检查者的辐射剂量，如铜过滤技术：x线窗口处附加铜过滤片，对x线光谱进行过滤，减少低能量软射线，提高输出x线束的平均能量。铜过滤片有不同当量组合（0.1-0.9mm），由计算机自动根据摄影部位、体位，成像参数进行设置，以保证最佳X线过滤效果。

球管

西门子

飞利浦

GE

技 术

液 态 金 属 轴 承 球 管

液 态 金 属 轴 承 球 管

普通滚珠轴承球管

焦 点

0.3/0.6/1.0mm

0.4 /0.8mm

0.3/0.6/1.0mm

功 率

18/52/100KW

40/ 85 kW

40/100kW

阳 极 热 容 量

2.0MHU

2.4MHU

3.7MHU

单位阳极热容量单位时间散热效率

405khu/min

337.5khu/min

189khu/min

附 加 滤 波

CAREFILTER: 0.1,0.2, 0.3, 0.6 和0.9 mm Cu; 根据体厚 自 动 设 定

Spectrabeam 0.2, 0.5, 1.0 mm

0.1, 0.2, 0.3mm Cu

    从参数上看，GE的球管的阳极热容量有很大提高，但其单位阳极热容量单位时间散热效率较低，由于采用普通拍片机球管技术导致球管重量和体积明显增大，给机架旋转带来一定的麻烦。对于球管散热效能高低，通过用手触摸刚做完手术机器的球管是否发烫及发烫的程度即可清楚。

2.3、影像增强器/CCD-TV系统：通常采用可变视野的I.I影像增强器，如11cm、17cm、23cm、32cm四种视野，根据造影时的需要灵活选用。空间分辨率与视野成反比，为了提高灵敏度和分辨力，输入屏采用碘化铯等材料。

    新研制的第四代金属釉-MU镍铁合金软磁贴膜影像增强器，使金属釉技术与P43输出磷光体相结合和使具有高分辨率、对比度和转换系数的高DQE输入屏与低量子噪声相结合，把每个像素的光藕合到光电层，从而使影像具有良好的亮度分布；MU镍铁合金软磁贴膜显像管，提高了I.I的转换效率，使几何失真降至最低；精确的电子-光学透镜系统，具有较窄的电子-光学参数分布，消除了因图像偏差导致的失真，使整个显示区内分辨率均匀一致；极窄的处理误差确保了稳定的电子-光学数据和最低的输出屏斑点及伪影干扰，从而获得极佳的图像质量，使图像的最大空间分辨率≥ 62 lp/cm，图像扭变率≤0.02lp/cm。
    以往采用的真空摄像管，由于其迟滞特性，在脉冲影像方式和隔行扫描制式下，每一场的影像信号幅值不等，采样需等到信号幅值稳定后才能进行，因此使得曝光脉冲宽度增加，浪费了剂量，故趋于淘汰，现基本采用CCD摄像机和逐行扫描制式来改善上述情况。为了适应所用X线剂量范围（即输入光量变化范围）大的特点，要求使用大孔径CCD，防光焰陷阱设计。CCD摄像机有旋转采集和全景采集两种模式，全景采集 CCD 芯片是专为医用目的设计的，大尺寸的芯片不仅实现了视野区图像的全景采集，而且提供了高光子存储量以提高图像的电子信噪比。
    如果购买平板探测器数字血管造影系统，则平板探测器将作为整个系统最关键的部分，对于系统的分辨率有重要意义。各大公司均采用性能稳定的碘化铯非晶硅平板探测器。西门子公司和PHILIPS公司采用相同的平板技术，即长方形的可旋转平板。GE采用正方型平板。其技术参数比较如下：
数字化平板探测器

西门子/飞利浦/万东

GE

尺寸
30X38cm
31X31cm
加外罩尺寸
41X52cm
45X45cm
像素大小
154mm
200mm
空间分辨率
3.25 lp/mm
2.5 lp/mm
图像矩阵
2480X1920
1536X1536
    从平板加外罩尺寸来看，GE的平板探测器的大小几乎和西门子/飞利利浦的相同，但西门子和飞利浦的平板能获得近500万像素图像，GE的平板能获得的图像像素则为200多万。对于临床应用而言，GE的平板存在一定的不足。从空间分辨率来比较，GE的平板也处于劣势。西门子/飞利浦的矩形探测器可旋转至“风景画”和“肖像画”位置，不仅保证了足够的对病人操作空间，同时具有完整的覆盖范围。

2.4、计算机系统:
    在数字血管造影系统中，通过计算机进行图像后处理，主要有对数变换处理，移动性伪影的校正处理，改善图像S/N的时间过滤处理和自动参数分析功能。早期多采用SUN或SGI通用型服务器，机体庞大，主频（时钟频率）较低，运算速度较慢，现在的数字血管造影系统则多采用医学影像专用多芯片组并行处理服务器，机体纤小，主频高，运算速度快，完全能满足图像大数据量实时处理的要求。

2.5、高级临床应用：高级的临床应用包括实时旋转DSA和实时下肢DSA跟踪和三维血管重建。由于脑血管组织细密、复杂，单一角度的平面投照远远不能满足临床诊断的需求，这就要求要有多角度、多方位对血管成像进行采集和回放，以期达到对复杂脑血管疾病的及时准确的定性和定位。目前高端机常采用独特的角度触发技术，是在C型臂旋转采集的过程中，运动到预设的角度时，自动触发对蒙片和充盈片的采集，使得蒙片和充盈片在相同角度上配对，实时减影处理后得出在这一确定角度的血管影像。在得到实时旋转DSA图像的基础上，配合先进的三维图像工作站，可以得到清晰的血管三维图像，无骨骼，软组织干扰图像，便于血管病变的多角度观察。此外，快速的三维成像技术，包括支架成像，内窥镜等技术已成功地为临床所应用。

2.6、机架系统：机架系统包括C臂和导管床，是整个系统重要的组成部分。C臂系统主要分为落地式和悬吊式。要求具有旋转角度大和旋转速度快、C臂运动轻巧顺畅的特点。

C臂

西门子

飞利浦

GE

技 术

悬吊式/落地式

悬吊式

落地式

C臂旋转角度

（头位）

悬吊式：

LAO/RAO: -180 度 / +150 度;

落地式

LAO/RAO: -130 度/ +130 度

LAO/RAO: -180 度 / +120 度;

 

LAO/RAO: -105 度 / +117 度;

C臂旋转速度

25度 / 秒

25度 / 秒

15度 / 秒

C臂旋转采集速度

60度 / 秒

55度 / 秒

30度 / 秒

    在检查床方面，除了床面的各种运动方式外，承重也是一个重要参数。特别是在抢救时的心肺复苏的承重参数，要求具备至少80公斤的心肺复苏的承重。

3、图像质量的优异性

数字血管造影系统综合性能的优劣，最终都必须由图像质量来体现，衡量图像质量的指标主要有：图像像素矩阵、图像空间分辨率、图像扭变率、图像灰阶对比分辨率、图像采集脉宽等。

    一台数字血管造影系统，必须满足：图像矩阵不小于1024×1024，图像空间分辨率不低于60 lp/cm，图像扭变率不超过2%，图像灰阶对比分辨率不低于12bit，图像采集最短脉宽不超过0.5ms。
4、人性关怀的周到性
    介入影像学科必须基于X线成像设备，长期以来，临床介入或放射科大夫本着救死扶伤的自我牺牲精神，救治了广大的病患，而自身的健康会受到很大影响。由于X线对人体的损伤有积累效应，对病人而言是一次性的，完全可以恢复，但临床医生长时间的辐射累计恢复则较困难，而且介入手术时间长，临床医生难以完全避免X线的辐射。通常对X线辐射的防护常采用铅屏风、铅衣等被动防护技术，即不论球管发射多少射线，防护手段是固定和单一的，防护的效果有限。主动防护技术要求X线系统的设备厂家在保证图象质量的前提下，对不需要射线的操作过程尽量不出射线，充分利用计算机的辅助和模拟技术来实现；在只需极低射线剂量的手术操作中提供尽可能低的X线辐射剂量，这就是所谓的”主动防护技术”， 其中包括尽可能短的X线脉宽，自动的射线硬化技术等。射线的危害性不容置疑，所以周到的主动防护系统尤其重要。目前在数字血管造影系统配备主动防护技术主要有：
1、自动曝光控制技术：将透视的参数自动转换为相关的曝光参数，无需测试曝光即可自动控制曝光参数直接进行曝光采集，避免了测试曝光的额外辐射损伤。
2、多档可选的数字脉冲透视技术：目前高端机型可以提供多达9档可选的数字脉冲透视技术（0.5,1,2,3,4,6,7.5,15,30P/s），在不需要高的影像实时性的采集序列（尤其在外周血管造影时），可以运用低脉冲透视（最低0.5个脉冲/秒），最大限度降低辐射剂量，保护医患健康。
3、多种可选的铜滤片自动插入技术：高档机型中均可以提供多达5种甚至5种以上可选的铜滤片（0.1,0.2,0.3,0.6,0.9mm）技术，使不同病人及不同部位均可获得最佳成像效果。尤其专为小儿设计的0.9mm铜滤片，在保证影像质量的前提下，最大限度保护儿童。
4、透视影像序列存储技术：自动透视影像序列存储，可存数百幅图象，突破以往只有最后一帧透视图像存储的局限，用低剂量的透视来替代采集，获得清晰的动态图象，极大地减少了剂量。

5、无射线束光器定位：采集时的束光器调整及定位，完全利用计算计模拟技术，无需透视或可见光即可实现高精度的定位。
5、使用的方便性
    临床的介入诊断和治疗过程往往时间长，强度大。充分利用人机工效学的研究成果，力求最大限度地降低医生操作机器的劳动强度，使医生能够尽量将注意力和精力集中于病人和手术过程，提高手术效率，缩短手术时间，减少X线的照射时间，从而保障医生和患者的健康。好的大型C臂X线机所运用的先进技术包括：多工作位C型臂，双向光盘存储系统，触摸屏和控制杆最优化组合等。
    现各厂家均基于全球统一的多系统控制概念而建立起来了家族化通用操作系统。这种操作系统涵盖了放射科和介入科的所有工作，包括病人数据登记，术前准备，采集程序选择，图像测量以及后处理，图像打印和归档，报告的制作等等。所有影像产品包括CT，DSA，MRI，超声都采用同一操作系统，便于在检查室的血管造影监视器上即能观看CT和MR的图象，成为真正的网络化的操作平台。通过直接比较不同的图象便于迅速作出治疗方式的决定。对于医生和病人来说，不仅节省时间，更保证手术的安全性。
    现今，病人介入治疗的最佳存储手段是将图象存在光盘上，但是大部分病人需要多次复查，随放。病人介入治疗存在光盘上图象如能在导管室的主机监视器上回放，应用双向传输技术，进行治疗前后的对比分析。将大大方便决策。由于实现了床旁监视器的诊断级影像回放，介入手术医生如果在手术中需要相关影像回放信息，不必往来于手术室和控制室之间观察回放的参考影像，既安全也方便。
    实现在导管床旁的所有操作，包括病人的登记编号，设置检查程序，进行诊断及治疗，图象及功能的评估，图象后处理，网络图象的搜索及调用，可以大大提高工作效益，争取到病人抢救治疗的宝贵时间，是所有导管室医务工作者的愿望。随着科学技术的发展进步，这将成为现实。如影像的床旁测量，评估及相关的影像后处理功能。常规病人介入手术只能在一次冠脉造影后，将病人影像传输到控制室的独立工作站上进行测量和评估以及相关的后处理功能，实时性差，测量评估增加了病人额外的等待，耽误了时机。能够在导管床旁进行高精度的测量和评估，则可以完全解决上述问题。
6、创新技术：
      创新技术对于用户在相当长的时间内保持或提高学术地位具有重要意义。真正具有创新意义的当属DynaCT技术。它通过平板探测器的旋转采集功能，直接在血管造影系统上产生CT图像，这是一个独特的创新技术，并且对介入治疗带来革命性的变化，使得介入手术后可在本机上立即进行图像扫描重建，观察手术效果而不必将病人移往CT室进行判断，不仅使用非常方便，而且大大降低了医疗风险，提高了介入手术的安全性和准确性。
    综上所述，对于综合性医院在选择数字血管造影系统时，不但要是主流品牌且具有临床应用范围广泛的特点，更要具有独特和先进的功能，能为医院的发展和学科的建设及议员的可持续发展带来很大帮助。放射影像设备综合性能的优劣，图像质量是最简单有效的标志。图像质量的优劣，取决于影像链的优劣，值得特别注意的是，一台设备的综合性能高低，不是取决于该设备最优秀的那个部件及参数，而是由最差的那个部件及最低的那个参数决定，就好比一只木桶，能装多少水，不是取决于最长的那块木板，而是由最短的那块木板决定，因此，选择数字血管造影系统时，要特别关注系统中最差的部件和最低的参数是否能够满足需求。
（余小宝）

转自：http://www.china-radiology.com/showtopic-6451.aspx