数字减影血管造影装置
DSA是20世纪80年代兴起的一种医学影像新技术，是计算机与心血管造影X线机相结合的一种新的成像系统。DSA的革新意义是使得血管造影临床诊断能够快速、方便地进行，促进了血管造影和介入治疗技术的普及和推广。
一、数字减影流程
减影技术的基本内容是把人体同一部位的两帧图像相减，从而得出它们的差值部分。不含对比剂的图像称为掩模像(mask image)或蒙片，注入对比剂后得到的图像称为造影像或充盈像。掩模像和造影像相减后得到减影像。由DSA的物理基础可知：减影后的图像信号与对比剂的厚度成正比，与对比剂和血管的吸收系数有关，与背景无关。在减影像中，骨骼和软组织等背景图像被消除，只留下含有对比剂的血管图像。数字减影处理流程如图6-19所示。
图6-19 DSA处理流程图
实施减影处理前，常需对X线图像作对数变换处理。对数变换可利用对数放大器或置于A/D转换器后的数字查找表来实现，使数字图像的灰度与人体组织对X线的衰减系数成比例。由于血管像的对比度较低，必须对减影像进行对比度增强处理，但图像信号和噪声同时增大，所以要求原始图像具有较高的信噪比，才能使减影像清晰。
二、数字图像的硬件结构和影响图像质量的因素
(一) 数字图像硬件结构
图6-20是DSA中数字图像部分的硬件结构框图。图中查找表是一种实时的数字变换功能模块，输入查找表可用于作输入图像的对数变换等，输出查找表作实时的图像增强变换、图像的显示变换等。帧存储器用于存放掩模像、系列造影像和减影像，它和计算机之间的数据交换决定图像后处理的速度。ALU(arithmetic logic unit)是实时算术逻辑运算器，它是实时减影的关键部件，运算速度快，减少与计算机的互访，使处理速度与视频信号刷新速度同步。
图6-20 数字图像硬件方框图
(二)影响图像质量的因素
1．成像方式 DSA常用的成像方式有脉冲影像方式、超脉冲影像方式、连续影像方式等。
(1)脉冲影像方式：它采用间歇X线脉冲来形成掩模像和造影像，每秒摄取数帧图像，脉冲持续时间一般大于视频信号一帧的时间。在对比剂未流入感兴趣血管时摄取掩模像，在对比剂逐渐扩散的过程中对X线图像进行采集和减影，得到一系列连续而有间隔的减影像系列，每帧减影像之间的间隔较大(例如0.15s)。由于曝光X线脉冲的脉宽较大(例如100ms左右)，剂量较高，所得图像的信噪比较高。它主要用于脑血管，颈动脉，肝动脉，四肢动脉等活动较缓慢的部位。
(2)超脉冲影像方式：这种方式以每秒6~30帧的速率进行X线脉冲摄像，然后逐帧高速反复减影，具有频率高、脉宽窄的特点，能以实时视频的速度连续观察X线数字图像或减影像，具有较高的动态清晰度。这种方式能适应肺动脉、冠动脉、心脏等快速活动的脏器，图像的运动模糊小。
(3)连续影像方式：这种方式所用X线可以是连续的，也可以是脉冲的，得到与摄像机同步的、频率为每秒25帧(或30帧)的连续图像。因采像频率高，能显示快速运动的部位，如心脏、大血管，时间分辨力高。
2．X线的稳定性 由于普遍采用脉冲影像方式，在技术上必须保证前后各帧图像所接受的X线剂量恒定，这就要求X线机的高压稳定、脉冲时序稳定以及采样时间的合理和准确。
3．曝光与图像采集的匹配同步 X线曝光脉冲应与摄像机场同步保持一致，曝光信号的有效时间要在场消隐期内。但隔行扫描制式造成奇偶场有时间差，需保证两场图像采集时光强度的一致性。由于摄像器件的迟滞特性，需要等待信号幅值稳定时才能采样，不能在曝光脉冲一开始就采样，因此造成剂量的浪费。
4．噪声 噪声会使图像不清晰，对比度增加时噪声更明显。噪声包括X线噪声、视频系统噪声(主要来自摄像机)、量子化噪声(主要来自A/D转换过程)、散射线引起的噪声、存储器或磁盘存取时出现的存储噪声、医用相机和荧光屏的固有噪声等。增大曝光剂量可以减少噪声；积分技术可在剂量不明显增大的情况下减少噪声。
5．设备性伪影 主要由条纹伪影、旋涡伪影和软件伪影原因造成。
(1)条纹伪影和旋涡伪影：它们由投影系统不稳定引起。
(2)软件伪影：①丢失的高频信息以低频形式重现，形成条纹伪影；②当空间频率过高时容易产生过冲伪影；③X线束的密度不均匀、探测器几何尺寸的偏差等产生X线束的几何伪影；④X线束硬化产生的伪影。
三、DSA的系统组成
DSA是在DF的基础上发展而来的，它主要由X线发生和显像系统、机械系统、图像数据采集和存储系统、计算机系统等组成。
(一)X线发生和显像系统
X线发生和显像系统由X线发生装置、探测器装置、显示器、自动亮度控制、X线剂量管理等组成。
心血管造影时，将导管经穿刺针或皮肤切开处插入到检查部位血管内血流方向源端，快速注入对比剂并进行快速摄影，摄取心腔或血管的对比剂充盈像。对比剂注入血管后随血液流动并很快被冲淡稀释，所以对比剂必须在短时间内集中注入，并在稀释之前快速采集尽可能多的图像。每幅图像的采集时间很短，为使图像达到足够的质量，X线发生装置必须在有限的时间内输出足够的X线剂量。这需要X线发生和显像系统满足下列基本要求：
1．X线发生装置 它等同于X线机的X线发生装置，但对X线管、高压发生器和曝光控制时序要求很高。X线管要能承受连续脉冲曝光的负荷量，对于中、大型DSA设备，一般X线管热容量应在200kHU以上，管电压范围40~150kV，管电流通常为800~1250mA。要求高压发生器能产生稳定的直流高压，采用中频或者高频技术，由微处理器控制，产生几乎是纯直流的高压。由于曝光应与图像采集的匹配同步，对曝光控制时序的要求高，用继电器控制曝光的X线机一般不满足要求，无法达到小于ms级的脉宽稳定度，需采用可控硅或数字化控制方式。
2．探测器装置 传统DSA的探测器装置由影像增强器、光学系统、电视摄像机组成，现代DSA开始使用平板探测器。
(1)影像增强器：通常采用可变视野的I.I，如775px的I.I可有250px、400px、550px、750px，4种视野，根据造影时的需要灵活选用。空间分辨力与视野成反比，一般为1.1~2.5LP/mm。为了提高灵敏度和分辨力，输入屏采用碘化铯等材料。新研制的平板型增强器，在输入屏发光体和光电层之间有几十万条光纤，把每个像素的光耦合到光电层，从而使图像有较高的亮度，提高了I.I的转换效率，因此很有发展前途。
(2)光学系统：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、光圈可自动调节的镜头，有的镜头还内含电动的中性滤光片，以防止摄入强光。
(3)电视摄像机：要求摄像管具有高灵敏度、高分辨力和低残像的特点，视频通道要有各种补偿电路，保证输出高信噪比、高保真的视频信号。由于真空摄像管的迟滞特性，在脉冲影像方式和隔行扫描制式下，每一场的图像信号幅值不等，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X线剂量。采用CCD摄像机和逐行扫描制式，可以改善这种情况。
3．显示器 要求配备高清晰度、大屏幕的显示器，如逐行扫描1024线以上、1275px以上的类型。现在造影室内的显示器常采用多屏、多分割或画中画的形式，便于随时对比。
4．自动亮度控制 在DSA中由于被摄对像的组织密度变化大，应保证在各种不同的摄影对像和摄影条件下都能得到有足够诊断信息的图像，消除模糊及晕光。传统DSA是由X-TV形成模拟图像信号的，I.I的动态范围大，约为104:1，在不同曝光剂量下都能输出对比度良好的图像。但电视摄像管的靶面照度范围为10-1~102LX时输出电流在暗电流值与饱和电流值之间变化，动态范围在几百之内。有的检查部位(如胸、腹部)X线曝光剂量变化范围达到103~104，超过了摄像机能精确复制信号的范围，因此需要有一系列自动控制措施，来确保摄像管的输入光量在其动态范围内变化。主要措施有：
(1)控制I.I的输出光量：控制X线的曝光剂量就是控制I.I的输入光量，以利用摄像机输出的视频信号自动控制曝光时间，或自动调整X线管的kV、mA值，就能自动控制X线图像的亮度。
(2)控制光学系统的输出光量：用视频信号自动控制镜头光圈的大小，F1.4孔径的镜头在受控于计算机的滤光片辅助下，自动调整光量的范围可达到6.6×104，从而保证摄影管的输入照度总处于正常范围内。
另外，采用补偿滤过器也能减小X线信息的动态范围，使它和设备部件的动态范围相吻合。补偿性滤过器是在X线管与患者之间放入附加的衰减材料，在视野内选择特定的衰减区域，提供更均匀的剂量分布。
5．X线剂量管理 在保持图像质量的条件下尽量减少人接受的X线照射剂量，是剂量管理系统的任务，它由一系列现代技术组成。
(1)栅控技术：使用栅控X线管，在每次脉冲曝光的间隔给X线管栅极加一个负电压，抵消曝光脉冲的启辉和余辉，从而消除软射线，提高有效射线质量，缩短脉冲宽度。
(2)光谱滤过技术：在I.I或X线管头的窗口放置铝滤板或隔板，以消除软射线，减少二次辐射，优化X线的频谱。准直器的隔板有方形、圆形、平行四边形等；位于X线管头窗口的滤板及DSA补偿性滤板也有各种形状，如头部用多边形滤板，颈部四肢用矩形，心脏、肺部用双弧形等。理想的滤板可使显示器显示的图像密度基本一致，以免产生饱和性伪影。若肺部DSA检查没有滤板时，因肺与心脏的密度相差太大，X线剂量适合心脏时，肺部的小血管被穿透，剂量适合肺部时心内结构又无法辨认。各种滤板和隔板可以自动或手动控制，调整很方便。但要注意不宜采用太厚的滤板，否则将明显增加X线负荷，还会使X线束硬化过度和降低信噪比等。
I.I前面放置的滤线栅也用来消除X线穿过人体时的散射线，有平行、会聚、锥形和交叉等排列方式。采用该技术后可降低X线辐射剂量约20%。
(3)脉冲透视技术：是在透视图像数字化的基础上实现的，因此能对脉冲透视图像进行增强、平滑、除噪等滤波处理，改善图像的清晰度。设备的脉冲透视频率有25帧/秒、12.5帧/秒、6帧/秒等种类可供选择，频率越低、脉宽越窄辐射剂量就越小。但脉冲频率太低时，活动图像透视将出现动画状跳动和拖曳；脉宽太窄时透视图像质量下降。采用该技术，估计较常规透视辐射剂量减少约40%。
(4)图像冻结技术：每次透视的最后一帧图像被暂存，并且保留在显示器上显示，称为图像冻结(last image hold，LIH)。充分利用LIH技术，可以减少一些不必要的透视操作，使总透视时间明显缩短，达到减少辐射剂量的目的。在LIH状态下还能调整DSA滤板和隔板。
此外，还有放射剂量的自动显示技术，检查床旁的透视剂量调节功能，铅防护屏吊架等。
(二)机械系统
机械系统主要包括X线管专用支架、导管床和高压注射器。
1．X线管专用支架
(1)支架结构：为达到倾斜透视和摄影要求，并使X线管和影像增强器能同步移动，心血管造影专用X线管头支架多为C形臂、U形臂等。如图6-21所示。
图6-21 C形臂、U形臂结构示意图
在C形臂或U形臂的两端分别相对安装X线管头和影像增强器，并使两者的中心线始终重合在一起，即无论在任何方向上进行透视，X线中心线都始终对准增强器的输入屏中心。C形臂可在臂架的支持下沿C形弧做－45o～＋90o转动，能很快从正位透视转换为侧位透视。沿病人长轴方向的倾斜是由支架的转动实现的，可在±45o范围内调整。有的设备机架可携带C形臂一起做升降运动。C形臂可由底座、附着式立柱和悬吊架等支持。C形臂还可移动或摆动，以便在需要时使其远离导管床。
上述支架的共同特点是：能在病人不动的情况下，完成对病人身体各部位、多方向的透视和摄影检查。当肢体位于C形臂转动中心时，在C形臂活动过程中，被检部位一直处于照射野中心。C形臂X线管焦点至增强器的距离是可调的，一般是移动增强器。增强器输入屏前设有安全罩，在支架活动或增强器单独活动过程中，一旦安全罩触及病人，便立即停止动作，保护病人和设备的安全。
现代DSA多用双C臂、单C臂三轴(三个马达驱动旋转轴，保证C臂围绕患者作同中心运动、操作灵活、定位准确)、或L+C臂三轴系统。双C臂产品可减少了注药及X线曝光次数，增大了运动角度。三轴系统则是旋转造影、计算机辅助血管最佳角度定位的基础。导管床的纵向、横向运动范围要大，并可以左右旋转，使活动空间增大，便于病人的摆位及抢救。
(2) 支架功能：
1）体位记忆技术：专为手术医生设计了投照体位记忆装置，能存储多达100个体位，各种体位可事先预设，也可在造影中随时存储，使造影程序化，加快造影速度。
2）自动跟踪回放技术：当C形臂转到需要的角度进行透视观察时，系统能自动搜索并重放该角度已有的造影像，供医生诊断或介入治疗时参考；也可根据图像自动将C臂转到该位置重新进行透视造影。这种技术特别有利于心、脑血管造影，尤其是冠状动脉介入治疗手术。
3）安全保护：C形臂支架还配有自动安全防撞装置，计算机能根据机架、床的位置自动预警和控制C形臂的运动速度，利用传感器感受周围物体的距离，自动实现减速或停止(例如离物体250px时减速，离物体25px时停止)。
2．导管床 导管床具有手术床和诊视床双重功能。手术时要求高度适宜，工作方便，能从各个方位接触病人，纵向、横向运动范围要大，并可以左右旋转，使活动空间增大，便于病人的摆位及抢救。透视时要求导管床能方便地变换方位和部位，并且动作迅速、定位准确。
早期的导管床，X线管安装在床下，与悬吊增强器配合使用，具有床面浮动和升降功能，以适应手术和透视两种需要，后来研制的配合C形臂使用的导管床，床内则无需安装X线管，如图6-22所示。
图6-22 导管床示意图
(1)高度：为适应不同身高的手术者和C形臂的要求，床面设有电动升降驱动装置，由床下的脚踏开关控制。
(2)床面移动：床面在水平方向可做二维移动，且沿其长轴方向要求有较大的活动范围。配合C形臂使用时，床面能把病人送入X线照射野，且床座不会影响C形臂在头颅反汤氏位的倾斜活动。床面在纵横两个方向上都设有电磁刹车。床的所有移动控制按钮均集中在床边，并可移动到床的左侧或右侧。为适应下肢分段摄影的需要，导管床常设有床面纵向移动步进驱动装置。此装置可使床面向前或向后步进4步(每步625px左右，用时2s)，可进行对比剂跟踪摄影。注入一次对比剂，就可获得腹部和整个下肢的血管影像。
床面除配有驱动装置外，做下肢分段摄影时，还需要配用kV降落装置，随着肢体变薄，摄影条件自动调低，以保证适当的曝光量。
(3)床面宽度：床面宽度一般为40～1500px。为了适应上肢插管的需要，床边一般都设有可活动的臂托。
(4)床面边框：为增加床面机械强度而设，同时也是床面纵向移动的轨道。在配合C形臂使用时，X线透视的方向是不固定的，在一定方向上，床面的边框可能进人照射野，影响观察，为此也有无边框床面。
(5)床面材料：过去多采用多层胶合木板或酚醛板，其机械强度较好，但对X线的吸收较强。目前多采用碳素纤维增强塑料板，它不但有较小的X线吸收系数，而且有较高的机械强度。
(6)吊床：由伸缩吊架将其悬吊在空中。它具有落地式导管床的全部功能，且活动范围加大，地面更整洁。
3．高压注射器 DSA在血管造影时要求在短时间内将对比剂集中注入血管内。对比剂的注射总量、注射流率以及与曝光的时序控制，是关系到检查成败及病人安全的大问题。高压注射器能够确保在确定的时间按要求将对比剂注入血管，形成高对比度图像。亦常用于X-CT的增强扫描检查。它可使对比剂注射、换片机换片、X线主机曝光三者协调配合，从而提高了摄影的准确性和造影的成功率。它可遥控操作，全部工作人员均可离开X线辐射现场。它由注射头、控制台和移动支架组成。目前使用的高压注射器一般为电动式，如图6-23所示。
图6-23 电动式高压注射器传动示意图
电机经离合器、减速器带动传动效率极高的滚珠丝杆装置推动注射活塞进行注射，调节电机的转速就可控制注射流率，控制电机的转动周数，就可控制注射量。
在做选择性心血管造影时，为确认导管头端的位置是否正确，有时需做试射。试射就是以较低的流率(4ml/s)注射少量的对比剂(2m1)。电动式高压注射器可一次性吸药，多次试射、注射或重复注射。
注射启动可手动随机控制，亦可用心电图(electrocardiogram，ECG)信号控制。利用ECG信号中的R波触发注射器，可使它在心脏的舒张期开始注射，或仅在心脏的舒张期进行注射(脉动注射)。从而避免了收缩期注射可能出现的心肌颤动，既减少了注射量，也便于观察血流图像。
注射头是一个独立部分，可以自由转动以改变方位和角度，便于抽液、排气、试射和注射，并可最大限度地接近病人。注射头可从支架上取下，安装在导管床的边框上，在床面移动时，病人和注射头同步移动，即病人和注射头处于相对静止状态，以防止床面带动病人移动时将已插好的导管拽出或移位。
(三)图像数据采集和存储系统
该系统的一般结构在图6-20已经示出，由于DSA要求25帧/秒以上的实时减影速度，这样高的处理速度必须通过专用硬件来实现。有的国内厂家在通用微机上增加一块图像板来实现视频信号的A/D转换和实时减影等处理功能，该板由A/D转换器、输入查找表、高速运算器，帧存储器、输出查找表，D/A转换器等组成。
根据采集矩阵的大小决定采样时钟的速率，对512×512矩阵，采样频率需大于10MHz；对768×572矩阵和1024×1024矩阵，需要的采样速率分别为15MHz和20MHz。可按照对图像灰度级的要求选择A/D转换器的量化等级，即位(bit)数，一般为8bit或10bit。帧存储器(帧存)的容量一般要能保存16帧图像，当每像素为8bit(即1字节，byte)数据时，帧存容量是4MB(512矩阵)或16MB(1024矩阵)。对心脏和冠状动脉等动态器官部位的造影，需以25帧/秒的速率实时连续采集5s或10s图像，要求采用更大容量的帧存储器(海量存储)，有的设备已采用64MB的高速海量帧存，可以保存512×512×8bit的图像250帧。一次采像一般不超过10s，而在两次采像的间隔时间内可把帧存中的图像转存到光盘或硬盘上，所以帧存容量超过64MB，就可以代替电影胶片，从而免除冲洗。如果实时帧存的容量小，对心脏和冠脉就只能采用电影方式造影。
大容量帧存储器一般采用动态存储器(dynamic random access memory，DRAM)，由于最高实时存取速度要达到每秒50帧512×512×8bit的图像，所以必须通过视频总线传输，同时也要有计算机总线接口，以便进行读写控制和实现帧存与硬盘之间图像转存。
近年来，DSA开始用FPD来代替“影像增强器＋电视摄像机”结构形式的探测器，它具有空间分辨力高、动态范围大、余辉小、信息采集快、射线剂量低等优点，由于FPD体积小、重量轻，可使C形臂结构更加紧凑、控制更加灵活。
(四)计算机系统
在DSA系统中，计算机主要用于系统控制和图像后处理。
1．系统控制 图6-24是系统控制流程图。整机的工作流程由计算机控制，根据控制流程，需要连接的信号如下：
图6-24 系统控制流程图
(1)启动开关信号：启动开关1闭合使X线机接受计算机控制，由计算机对X线机发出曝光准备信号；同时，计算机发出光阑控制信号，使光圈孔径缩小。启动开关2闭合使造影过程开始，计算机启动高压注射器，并对X线机发出脉冲曝光启动信号。
(2)联络信号：X线机准备完毕后，向计算机发出准备就绪信号，表示可以进行脉冲曝光。曝光开始后，向A/D转换电路发出采样开始信号；转换结束后，通知计算机读取数字信号，再次进行脉冲曝光，采集下一帧图像。
2．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的时间滤过处理和自动参数分析功能。
随着DSA的不断发展，其设备性能、减影方法也在不断改进。例如图像的后处理使S/N提高；视野小，大的部位需要多次曝光，通过改进I.I的输入野，采用遥控对比剂跟踪技术、步进式曝光来解决；运动部位成像及运动性伪影，可通过改进高压发生器，使用超短脉冲快速曝光加以改善；采用数字脉冲式透视可使X线辐射剂量减少将近一半；利用双平面采集和三维采集可以鲜明地突出低密度、细管径的血管像。
