第三讲-DSA成像技术.doc

2.4 DSA(Digital Subtraction Angiography)
l 是80年代继CT之后出现的一项医学影像学新技术,是电子计算机与常规X线心血管造影相结合的一种新的检查方法。是继CT之后X线诊断技术方面又一重大突破。

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l 血管造影：
l 因血管与骨骼及软组织影重迭，血管显影不清。采用光学减影技术（将显影剂注入血管里，X光穿不透显影剂。）可消除骨骼和软组织影，使血管显影清晰。
l
l 数字减影血管造影（DSA）
l 是利用计算机处理数字化的影像信息，以消除骨骼和软组织影的减影技术，是新一代血管造影的成像技术,是影像医学、临床医学、计算机技术结合而发展起来的边缘科学技术。

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数字减影血管造影（DSA）
示意图

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l 1895年发现X线后仅2个月Haskek和Lindental首次在离体上肢的动脉内注入白垩溶液进行动脉造影的尝试。
l 随着血管造影技术和造影剂的不断改进，尤其是1953年Seldinger设计的循导引钢丝插入导管，使经皮穿刺法成为简便、安全的动脉造影术。
l 1963 年Ziedes des platnes B.G首先利用同一患者的脑血管与颅平片互相重叠，将此重叠的两片覆盖于未感光的X线胶片上，用可见光曝光，经冲洗印成减影片。此方法手续繁琐，不易重叠而产生伪影，因此在临床上没有推广应用。
l 70年代以来，计算机技术的不断发展和完善。70年代后期，美国的Wisconsin和Arizona大学的小组和西德Keil Kinder Klink医学中心对数字减影血管造影术进行研究。
l 1977年Nudelman教授获得了第一张DSA影像。
l 1980年11月的北美放射学会公布
l 1981年布鲁塞尔国际放射学年会上DSA得到了一致推崇。

血管造影术简史
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发明者
l 美国的威斯康星大学的Mistretta小组
l 亚利桑纳大学的Nadelman小组

首先研制成功
1980年11月的北美放射学会公布
近20年来，由于计算机、电视系统、X线影像增强器和数字电子储存设备的改进，其DSA的影像质量日臻完善，使DSA技术广泛应用于临床的各方面。
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DSA成像原理
数字减影血管造影是利用影像增强器将透过人体后已衰减的未造影图像或造影图像的X线信号增强，再用高分辨率的摄像机对增强后的图像作系列扫描。即把整个图像按一定的矩阵分成许多小方块，即象素。所得到的各种不同的信息经模/数转换成不同值的数字，然后存储起来。
再把造影图像的数字信息与未造影图像的数字信息相减，所获得的不同数值的差值信号，经数/模转制成各种不同的灰度等级，在阴极射线管上构成图像。由此，骨骼和软组织的影像被消除，仅留下含有对比剂的血管影像。
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视频影像的形成
X线穿过人体某一部位后，到达荧光屏的X线量不同，形成亮度不同的X线影像，经影像增强器增强，并为其内的电视摄像管采集时所获得的电子波束即转化为一系列不同电压、既不同强度的视频信号（Video Singals）。显示在监视屏上、不同灰阶度的影像则称为视频影像（Video Image）。
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数字影像的形成
经对数增幅处理后视频影像仍属模拟像（Analog image）。
模/数转换器（A/D converter）的作用，是将电视摄像管采集到的视屏信号（电压数值）转换为二元值（二进位的数），再经计算机进行运算处理，转换为一组不同的像素值（Pixel）,进而将视频影像变成数字影像（Digital image）。
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象素转换为数字
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数字矩阵
象素越小,越多，矩阵越大，则图像越清晰。如将数字矩阵的数字经数字/模拟转换器转换成模拟图像，并于影屏上显示，则这个图像就是经过数字化处理的图像。
采集矩阵的大小很大程度上受设备、计算机性能的制约。
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数字减影及其类型
光学减影
时间减影
能量减影
混合减影
数字体层减影
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时间减影法
先将血管造影前后在影像增强器上的图像用高分辨力摄像管行序列扫描，把所得连续视频信号经模数转换器转成256*256、512*512、1024*1024的数字矩阵，分别储存在计算机的二个储存器中。造影前的影像称蒙片图像，造影后的影像称显影图像。后令计算机将显影图像数据减去蒙片图像数据，剩下的只有血管影像数据。此数据经数模转换器处理后，再以显示于监视器上，此影像即为减影像。
这种减影方法是通过不同时间获得的两个影像相减而成，故称时间减影。
缺点：易因器官运动而使摄像不能完全重合，致血管减影影像产生伪影。（配准技术）
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时间减影
数字减影处理流程
显影图像
蒙片图像
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能量减影
利用造影剂与周围组织间能量衰减的差别进行减影，称能量减影。
造影剂碘的X线衰减系数在33keV处有显著的不连续性，临界水平的能量即为碘的K缘。
若在略高或略低于K缘能量条件下成像，然后将两种不同能量的影像相减，则得保留碘信息的影像(血管影像)。

优点： 能量减影对气体和软组织影像消除较好；
缺点：骨组织则不能有效的消除。
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混合减影
通常利用时间和能量两种减影技术结合而形成混合减影。
原理是通过时间减影减去骨和软组织，再通过能量减影除去气体和器官运动干扰（如心，大血管博动和肠蠕动等），从而只剩下血管影像，减影效果好。
缺点：此种减影是4帧影像形成，所以信噪比有损失，仅为时间减影的35%~40%，因此，对小血管显示不利，此为混合减影的缺点。
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DSA体层减影
又称动态数字减影体层减影（CT）。
利用物理学变量深度进行减影，故适用于解剖结构复杂的平面，其原理与常规体层摄影近似，但DSA所显示血管内造影剂廓清是动态的，而非血管结构则被去掉。减影的效果优于一般体层摄影。
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减影像的显示和存储
数字减影像再经数/模转换器（D/A converter）处理后既可转换为模拟图像，并以不同灰阶度的影像显示于电视监视屏上。
减影的过程是由计算机瞬间完成的，当造影剂在血管内移动的同时，陆续输入计算机的造影像瞬间与蒙片自行顺次减影并形成一系列减影像，从而可实时观察到其动态，即实时显像。
电视监视器上显示的减影像经后处理后，可摄取在胶片上永久保存，也可将未经数模转换的数字减影像输入磁盘或磁带记录存档作永久存储。
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成像后的后处理
DSA成像技术比常规血管造影之另一优点是：既在获得减影像后，还可通过计算机检索，将存储的数字减影像调出重显于电视监视屏上，并利用DSA系统的各种后处理功能进行后处理，以获得最满意的影像或某些特殊要求。
常用的成像后的后处理技术有：再次减影处理、图像对比度增强处理、Gamma补偿和反转对数处理、空间滤过处理、再配准和水平补偿处理、浓度测量和时间-浓度曲线测定、点距测量、放大和消隐处理。
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DSA的主要组成部分
l 大型X线机
l 影像增强器
l 高分辨力摄像机
l 电子计算机
l 高分辨力录像机（磁带，磁盘或光盘）；
l 高压注射器
l 操作台等。
l DSA成像系统
l DSA成像系统的构成
l 电子计算机系统
l 对成像系统的要求
l X线电视系统
DSA成像系统的构成
l 射线质量稳定的X线机
l 快速图像处理机。用来实时地处理系列图像并显示之
l X线视频信号和数字信号的图像检测器
l 计算机数字图像处理器
l 视频图像转变为数字图像的矩阵化
l 图像显示，存储、拷贝等外设部分
l 电子计算机系统
l 电子计算机系统概念
l 数据获得系统
l 中央处理机CPU
l 存贮器

电子计算机系统概念
l 计算机系统是DSA的关键部件，是一种可以输入数据，利用存放在存贮器中的程序执行算术或逻辑运算，对信息进行处理，并可在适当输出设备上显示输出数据的电子设备。
l 它包括系统控制和图像处理两部分。
l 系统控制部分：控制收集图像数据, X线发生器、曝光条件、控制扫描系统的工作，调节摄像机内各种参数，并改变光圈的大小，对贮存图像在监视器上进行显示等作用。
l 图像处理部分：是对模/数转换后的数据进行各种算术逻辑运算，并对减影的图像进行各种后处理。

数据获得系统
DSA的数据获得系统为X线机、电视摄像机及中央处理器之间提供接口。它接收来自增强器的信号，把它转换成适用于计算机处理的数字信号，并将已转换的信号送到中央处理机。
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中央处理机CPU
它是计算机的心脏，是数据处理系统中执行算术/逻辑运算的部分。
存贮器
用来存贮数据和程序等信息，存贮器有主存贮器和辅助存贮器。主存贮器又有磁芯存贮器和半导体存贮器。半导体存贮器用集成电路取代小磁环，由晶体三级管和二级管组成，同样体积而具有更大的存贮容量。
辅助存贮器有磁盘、磁带等，其功能是补充主存贮器容量的不足。
对成像系统的要求
l DSA对X线源的要求
l 光阑控制与光通量调整
l 采样与曝光的匹配同步

DSA对X线源的要求
首先对最常采用的脉冲图像采样方式，要求X线球管能够承受连续多次脉冲曝光的负荷量。从这一点出发，应选择大于500mA，能进行快速换片脉冲爆光的X线机。其次，DSA要求X线能量必须稳定。
高压发生装置要采用三相十二波整流的X线机或逆变式X线机，保证高压输出的稳定性。
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光阑控制与光通量调整
DSA的X线成像系统中,影像增强器的动态范围很大，在不同的曝光剂量下都能输出良好对比度的增强图像。
X—TV的动态范围响应主要依靠影像增强器和摄像机之间光学结构中的一个光阑束控制和调节，当影像增强器输出的光线很弱时，光阑打开，电视摄像机接受全部来自影像增强器的成像信息；当影像增强器输出的光线很强时，光阑关闭到最小，电视摄像机仅接受从光阑的中心小孔中照射过来的光强信息。
光阑还可屏蔽一些图像噪声的折射和散射光线,能有效果地增加X线图像的清晰度，提高图像的信噪比。
采样与曝光的匹配同步
l 采样是指对模拟视频信号经过A/D转变成数字图像信号的过程。采样与曝光的匹配及同步涉及到几个方面的情况：
l 采样时应注意视频制式的特点；
l 曝光时应考虑何时利用光强信息；
l 匹配同步时应主要了解机器系统的反应速度以及能达到的时间精度。
l 在DSA的超脉冲和连续减影方式中，整个血管造影期间，每一视频场X线照射量都是均匀一致的。
l 但对于DSA的脉冲减影方式，由于摄像枪成像的迟滞特性，每一视频场图像的信号幅值不相等。所以，不能在曝光脉冲一开始就进行采样，必须考虑视频信号幅值的稳定时间。等到信号幅值稳定时进行采样，才能保证两场之间的信号幅值一致性。
DSA的一般工作流程
DSA系统成像方框图
光电倍增管自动剂量控制（VIDEOMATIC）工作原理
DSA检查技术分类
根据将造影剂注入动脉或静脉分类
l 动脉DSA（intraarterial DSA，IADSA）
l 静脉DSA（intravenous DSA，IVDSA ）

由于IADSA血管成像清晰，造影剂用量少，所以应用广泛
动脉DSA
IADSA的操作：

是将导管插入动脉后，经导管注入肝素3000～5000u，
行全身低肝素化，以防止导管凝血。将导管尖插入欲查动脉开口，
导管尾端接压力注射器，快速注入造影剂。注入造影剂前将IITV
影屏对准检查部位。于造影前及整个造影过程中，以每秒1～3帧
或更多的帧频，摄像7～10秒。
经操作台处理即可得减影的血管图像。
静脉DSA
IVDSA可经导管
或针剌静脉，向
静脉内注入造影
剂,再进行减影。
1．优点：
（1）对比度分辨率高。DSA血液中造影剂浓度达5％即可显影，而常规胶片一增感屏血管造影则需30～40％的浓度才能显影。
（2）减去了血管以外的背景，尤其使与骨骼重叠的血管能清楚显示。
（3）IVDSA静脉注药能使动脉显影，避免动脉插管，减少危险性，门诊病人也可检查，比较安全。
（4）IADSA由于造影剂用量少，浓度低，可选用较细的导管，损伤小，比较安全，对肝、肾功能的要求较常规造影放宽。
（5） DSA具有多种图象后处理功能。　　
2．缺点：
（1）移动伪影。病人不自主动作如吞咽,呼吸,心跳,血管搏动、肠蠕动等均可导致伪影，影响减影效果。
（2）腹部DSA常因肠气不能减影而产生错录伪影影响诊断。
（3） IVDSA造影剂用量大。
DSA的优缺点
温湿度相关知识
l 温度：表示的是物体的冷热程度。
l 湿度：通常又叫相对湿度，是空气中水蒸气量与相对压力下的饱和水蒸气量之比，习惯上表示为：％RH，如45％RH。

人体体感最佳温度范围为18-25℃
各种条件下适宜的相对湿度
l 人最有利的环境湿度 55％RH--65％RH
l 最有利的防病,病环境 40％RH--55％RH
l 计算机、通讯器材 45％RH--60％RH
l 家具等木制品 要求40％RH--60％RH

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温湿度超标的危害
l 对当今设备而言，因其包含大量精密机械电气传动、计算机控制及信息存储、图像显示等技术。
l 环境温度过高容易引起散热不良，轻则导致集成电路工作异常，重则导致控制芯片和线圈烧毁；
l 温度过低，集成电路和设备润滑系统常常无法工作。
l 环境湿度过高时，空气中的水份因达临界温度即凝结并附着于电气元件上，导致电气性能改变，精密机械表面因长期受潮而生锈会降低精密度，甚至引起Ｘ线高压放电或击穿（球管和显示器等）；
l 环境湿度过低导致的静电轻则使计算机内存数据及磁盘数据丢失，造成电子障碍，重则静电火花会引起爆炸和火灾，危机人身、设备安全。

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如何正确控制温湿度
l 因此正确、合理地控制温度和湿度，创造出一个良好的小气候，对于医疗服务和医疗设备而言都是极其重要的。
l 普通的空调设备对温度的调节已能满足应用的要求，而对于湿度的控制却有点力不从心。针对我国不同地域的气候特点，通常北方地区较为干燥（尤其在冬季），加湿器则可发挥很好的作用。
l 据实验研究，当空气中的相对湿度达到45％ＲＨ以上时，静电现象会自然消失。因为静电是由于空气中干燥物体间绝缘电阻高所致。而南方地区则较为潮湿（尤其是梅雨季节），除湿机则是毕不可少的配置。
l 对于像核磁共振这样的大型医疗设备，因其温湿度要求严格，且散热量较大，最佳的选择是具备恒温、恒湿功能的机房专用空调。

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数字减影血管造影（DSA）设备的进展
传统类型DSA
平板检测器(flat panel.FP)型
DR+DSA型
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传统类型DSA设备的进展
l CCD装置完全替代了摄像管
l 普遍实现了三维信息采集
l 监视器的改进
l 软件功能的改进
l 降低剂量措施的改进
l 消除腹部伪影的技术
l 其他改进

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CCD装置完全替代了摄像管
目前所有厂家生产的大型DSA设备均采用电荷耦合器件（CCD）替代了传统的摄像管采集来自影像增强管的光学信号。
目前普遍采用的 CCD至少有100万像素，显示距阵通常为10242，可具有12bit的分辨力。最高可达4096的分辨力。
设计上也有公司采用医学专用者代替通用型者。
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实现了三维信息采集
目前所有的大型DSA设备均可采用旋转曝光方式的三维信息采集以实现三维图像显示，旋转速度从最初的15°-20°/秒，目前已可达40°-60°/秒，一次最大旋转角度可达305°。
快速大角度旋转采集的信息量大，除可作更为精细的血管结构的三维重建外，还可扩展到某些非血管结构的三维显示，如颌骨。
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监视器的改进
Philips公司已实现了逐行扫描方式的监视器图像显示，可以克服传统的隔行扫描方式中的图像闪烁。
此外，一些公司实施了三（电子）枪扫描方式，从而在背景亮度较大时仍可获得高分辨力的图像。
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软件功能的改进
l 除了已经较成熟的旋转采集,三维显示功能外，DSA目前已可实施血管内窥镜显示,心脏功能分析，冠状动脉分析，血管分析等功能。
l 动态数字补偿是通过造影检查中的动态调节使图像始终保持最佳质量的方式。
l 不同厂家的方式各有不同.如东芝公司采用的是动态数字补偿过滤的方式；西门子公司采用的是动态密度优化处理方式，即以兴趣区(ROI)内的影像信息反馈作为调节各项扫描参数依据的处理方式等。GE公司提出了一种扩增透视系统,把3D重建的影像与2D影像融合的透视显示方式。

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降低剂量措施的改进
l 数字脉冲透视曝光:可根据需要设置各种脉冲模式.据介绍最多可节省达90％的曝光剂量。
l 无辐射病人定位:即应用冻结的图像作为参照的定位系统
l 改进X线滤过:如使用钼滤过,以得到更宜的射线能谱。
l 依照检查部位的自动mA调节系统。
l 自动γ曲线调节（可在0.3秒内完成）。
l 对因活动而不易保证减影质量的部分.采用调节图像对比不作减影的直接显示方式，减少多次蒙片曝光的剂量。

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消除腹部伪影的技术
岛津公司采用了一种RSM－DSA（ Realtime smoothed Mask -DSA）的成像方式，即对易因活动产生减影影像伪影的部位，特别是腹部，在曝光中有意使蒙片模糊，再与血管显影片作减影，实际上是采用了一种不完全的减影方式，克服减影影像中 的移动伪影的方法。该方法获得的影像还可作3D显示。
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其他改进
下肢血管无缝拼接显示
对置入的导管作3D定位显示
根据需要实施2D或3D导向径路图（road map）显示
以血管自身(而不是导管)作标准参照的测定定量方式
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DSA应用之头颈部DSA
l 一、适应证与禁忌证
l １．适应证
l （１）颈动脉及其分支和椎动脉狭窄或阻塞，临床上有缺血症状。
l （２）颅内出血性疾病。常为颅内动脉瘤、动静脉畸形等血管性病变。
l （３）颅内占位性病变。明确肿瘤的形态、范围和供血并进一步作定性诊断。

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l ２．禁忌证
l （１）过敏；
l （２）重的心、肝、肾疾患；
l （３）严重的血管硬化；
l （４）高热、急性炎症；
l （５）穿刺部位感染。

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二、造影参数的选择
l 对比剂为40％-60％复方泛影葡胺。或相应碘含量的非离子型对比剂，
l 颈总动脉造影，总量10-14ml，流速６-７ml／s；
l 颈内动脉对比剂用量６-８ml，流速３-４ml／s；
l 椎动脉对比剂用量６-８ml，流速３-４ml／s；
l 颈外动脉对比剂用量４-６ml，流速２-３ml／s

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l 三、造影体位设计及程序
l 颈内动脉造影常规体位是标准的正侧位。透视矫正体位时，正位为两岩骨对称位于眼眶内下２／３，侧位为水平侧位两外耳孔重合，必要时倾斜Ｘ线球管。
l 对于动脉瘤等某些病变，可加照15°-30°的斜位，以显示动脉瘤的根部。左前斜60°-65°位可使主动脉弓、颈动脉及椎动脉清晰显示且彼此分离；70°左或右后斜位，可使颈内与颈外动脉起始部分离；30°斜位可较好分辨颈内动脉虹吸部。
l 椎动脉造影常规位是标准的侧位，汤氏位及华氏位。透视下矫正体位，汤氏位时增强器向头端倾斜30°-50°，两岩骨位于两眼眶的上缘，可见枕骨大孔；侧位为水平侧位两外耳孔重合。８°后前斜位可使上矢状窦与中线静脉系统分离；25°左或右前斜位可显示乙状窦与颈静脉球。DSA的成像方式：常规脉冲方式，２-３帧／ｓ，曝光至静脉窦显示为止。不配合易动者可选用超脉冲方式，25帧／ｓ。

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DSA应用之胸部ＤＳＡ
l 一、肺部ＤＳＡ
l （一）适应证与禁忌证
l １．适应证
l 肺动脉造影适用于肺的某些先天性和血管性病变，肺栓塞和肺动脉高压等。将造影导管尖端置于肺动脉干或右心室流出道内进行造影，此法适于两肺多发病变，如肺静脉扩张、肺动静脉瘘、肺动脉瘤、肺动脉干及其分支狭窄、肺栓塞、肺动脉高压及白塞病等。将造影导管尖端放置在左、右肺动脉或叶、段落动脉内行选择或超选择性造影，适于显示微细病变、观察病变与肺动脉的关系，如微小动静脉瘘、血管异常、肺栓塞、肺癌等。

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l ２．禁忌证
l （１）患者已是恶液质；
l （２）心肺、肝、肾功能衰竭者；
l （３）碘过敏或严重出血倾向者；
l （４）甲亢、高热及急性炎症者；
l （５）穿刺部位感染；
l （６）脊髓神经功能障碍或精神状态不健全者。

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l （二）造影参数选择
l 肺动脉造影因心脏的运动可选用超脉冲方式采集，每秒25帧，曝光采像至静脉回流左房。造影剂浓度60％复方泛影葡胺或相应浓度的非离子造影剂。肺动脉主干注药时，造影剂用量30-40ml／次，流率15-20ml／s，注射压力181-272kg（400-600磅）；一侧肺动脉选择性造影时，造影剂用量每次20-30ml／次，流率10-15ｍｌ／s。严重肺动脉高压者造影剂量和流率酌减。
l 支气管动脉造影可选用脉冲方式采集，屏气曝光，每秒６帧，直至显示实质期。造影剂用非离子型的碘必乐或优维显。用量5-10ml，流率２-３ml／ｓ，或手推造影剂行DSA采集。

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l （三）造影体位设计及程序
l 肺动脉造影常规采集正侧位影像，肺栓塞者加斜位。支气管动脉造影常规采集正位影像，必要时加摄侧位或斜位 。

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l 二、胸部DSA
l （一）适应证与禁忌证
l １．适应证
l 乳腺癌的介入治疗；胸背部恶性肿瘤的介入治疗。
l ２．禁忌证
l （１）碘过敏；（２）严重心肝肾疾患；（３）严重出血倾向；（４）穿刺局部感染；（５）高热等。

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l （二）造影参数选择
l 造影剂的浓度40％或200ｍｇ／ｍｌ。
l 锁骨下动脉造影的造影剂量每次12-15ml，注射流率６-８ml／s，压限68kg（150磅）；胸廓内动脉、肋间动脉及腋动脉的分支。
l 造影剂量６-８ml／次，注射流率２-３ml／s，压限68kg（150磅）。曝光时间直至兴趣区实质期满意显示。

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l （三）造影体位设计及程序
l 锁骨下动脉、腋动脉、胸廓内动脉常规正位即可，必要时加照15°-30°的斜位。
l 造影选用DSA的脉冲方式成像，采像帧率２帧／s，注射延迟，即先曝光采集图像后注射造影剂，ｍａｓｋ的采集时间１-２ｓ。对于胸部呼吸运动不易控制者，可选用DSA的超脉冲方式成像，或DCM减影方式成像，以免影像模糊。

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l 三、上腔静脉系统ＤＳＡ
l 四、冠状动脉DSA
l 五、心脏DSA
l 六、主动脉、肺动脉DSA

２．
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DSA应用之腹部DSA
一、肝脏ＤＳＡ
二、胃肠道ＤＳＡ
三、胰腺、胆囊、脾脏DSA
四、下腔静脉ＤＳＡ
五、盆腔动脉ＤＳＡ
六、子宫输卵管减影造影及再通术

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DSA应用之上、下肢DSA
一、上肢血管ＤＳＡ

二、下肢血管ＤＳＡ

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本章需了解的概念
1、X射线与物质作用是表现无哪几种物理特性。
2、X线机成像的原理?
3、什么是CR、DSA、DR？