[推荐]平板探测器全数字血管造影系统的技术发展

20世纪70年代兴起的介入放射学（interventional radiology）是在影像监视下对某些疾病进行治疗的新技术，使些用内科药物治疗或外科手术治疗难以进行或难以奏效的疾病得到有效的医治纵观30年来介入放射学的应用与发展，可以看出介入放射学在临床工作中的地位明显提高，已成医院中作用特殊、任务重、不可或缺的重要临床科室，已成为同内科和外科并列的三大治疗体系之一［1］。介入医学的发展与影像设备和临床医学密切相关，而影像设备是介入医生的“眼睛”。介入医生所使用的最重要的影像设备是字减影血管造影（digital subtraction angiogrphy,DSA）系统。本文就目国内外DSA设备的新技术发展及其应用的新进展，结合大量文献进行综述，重点介绍介入医生密切关注的平板探测器（flat panel detectors,FPD）在DSA设备的应用原理及技术特点，及其在临床医学应用中的技术优势。

 

1 平板探测器

（FPD）在DSA设备的应用原理随着心脑血管疾病和肿瘤发病率的不断提高，介入治疗医生的工作负担逐步加重，而医生在进行介入治疗时必须长时间的接触放射线；治疗技术的发展，如血管支架向小型化的发展，使其在X线下越来越不容易被发现。但随着数字X线成像技术的日臻完善以及计算机技术的发展，FPD应用到最新DSA设备中，有效解决了上述问题。由FPD取代传统的影像增强器（I.I?TV）影像链，省去了中间环节（I.I、光学系统、摄像头、模/数转换器）的次转换，整过程均在FPD内进行，直接获取数字化图像，避免了传统影像链多个环节传输所造成的失真、噪声及分辨率下降，减少了复杂的外围控制部分，使控制为直接简单，显示出传统DSA无法比拟的技术优势［2］。新一代的FPD与影像增强器相比，扩展了数字化采集的能力，在呈现优质临床图像的同时，达到降低X线剂量的效果，提高了对医生和患者的保护。DSA设备中的FPD技术有直接方式与间接方式2类型：直接方式的检测元件采用光电导材料非晶体硒（a?Se）层（非荧光层）加薄膜晶体管（thin?film transistor,TFT）阵列构成，它可以将X射线直接转换成电信号、产生数字信号。优点在于检测晶体的厚度较薄，转换速度会较快；缺点在于量子检测效率（DQE）略逊于间接型FPD，并且在应用时外加数千伏的电压，对薄膜晶体开关形成极大的威胁，引起较大的噪声。间接方式则采用碘化铯（CsI荧光体层）与具有光电二极管作用的非晶体硅层加TFT阵列构成。它先将X线转换成可见光，再转换成电信号，从而产生数字信号。优点在于稳定性较好、转化率高；缺点是CsI的制作工艺比非结晶硒均匀层的制作工艺复杂，且需要光敏二极管［3］。前者的平板探测器空间分辨率优于后者，并且在有临床意义的空间分辨范围下具有更好的量子检出效能特性［4］。在低曝光剂量条件下，成像质量非晶硅FPD系统优于非晶硒系统；在获得相同的影像质量的前提下，使用前者进行X射线摄影可以降低被检者受照剂量［5］。两种类型FPD的时间分辨率均可以满足血管造影的需要，达到7.5~30帧/s的采集。

 

2 平板探测器的尺寸及生产厂家

目前市场上能够提供平板探测器全数字化血管造影系统的厂家有：美国的通用电器（GE）公司，德国西门子（Siemens）公司，荷兰的飞利浦（Philips）公司和日本岛津（Shimadzu）公司。前三者采用了间接型FPD，在中国的装机量约100余台。Shimadzu公司采用自主开发的非晶体硒FPD，具有更高的空间分辨率（像素尺寸150 um,3.3 LP/mm），其开发的RSM?DSA可以在患者运动状态下实现清晰的减影采集，克服了重症患者无法配合检查的难题。最早的平板血管造影系统是GE公司2000年3月推出的Innova 2000，边长为20.5 cm×20.5 cm，对角线为29 cm，与传统12英寸的影像增强器的DSA直径相同，由于探测器较小，GE将该机定位为以心脏介入为主的兼容机。2002年推出了边长为41 cm×41 cm的Innova 4100，解决了外周血管的介入治疗问题；2004年推出了边长31 cm×31 cm的Innova 3100,认为款机器为“黄金”兼容机。GE公司Innova系列平板探测器均为正方形，像素大小均为200 Vm，空间分辨率为2.75 LP/mm。德国西门子的Axiom Artis dFC和荷兰飞利浦Allura Xper FD 10平板血管造影系统在2001年北美放射年会RSNA?01首次推出，FPD采用17.6 cm×17.6 cm的小尺寸，对角线为25 cm，像素184 vm，空间分辨率为2.75 LP/mm，作为心脏介入专用机。RSNA?03西门子和飞利浦同时分别推出悬吊式的大平板血管造影机Axiom Artis dTA和 Allura Xper FD 20；RSNA?04西门子又展出了落地式的Axiom Artis dFA；三者作为兼容性的血管造影系统，平板为30 cm×40 cm，像素154 Vm，空间分辨率3.25 LP/mm。两公司宣称，30 cm×40 cm长方形的FPD最符合人体解剖结构，平板径向放置可快速进行全下肢血管造影，横向放置可以覆盖全身任意解剖部位，而且大平板可进行±90°的旋转，西门子称其为“通用血管造影系统”。2003年西门子公司首次向全球推出Axiom Artis dBC，17.6 cm×17.6 cm的双平板血管造影系统。2005年荷兰飞利浦公司在美国心脏病学年会（ACC）宣布将推出Allura Xper FD 10/10双平板血管造影系统。RSNA?06岛津公司展出了直接转换式FPD的血管造影机?Bransist Safire，该系统采用全新图像处理核心，在图像处理以及管理流程上比HeartSpeed Safire取得进一步飞跃，可以实现最快速的三维血管检查（60°/s的3D?DSA），并且可以同时获得软组织断面图像，使介入医生不必再为了解软组织的情况而频繁地在导管室和CT室之间传递患者。

 

3 FPD数字血管造影系统的优缺点与传统

DSA系统相比，FPD数字化血管造影系统的主要优点：（1）照射剂量减少，与传统DSA影像链相比，按照透视时使用的脉冲率不同和肢体的厚度不同，射线剂量大幅降低［6］。当使用15帧/s~30帧/s的图像采集率进行透视时，照射剂量会降低15%~75%；有的公司介绍比传统DSA系统可降低剂量60%；王志康等［7］的研究表明，在相同的阈值检测指数值下，FPD DSA的透视剂量不到传统DSA的50%；（2）影像的空间分辨率和密度分辨率较高，使用传统的分辨率测试卡，可见数字平板分辨率明显优于传统影像链，而且影像的层次丰富，细节清晰；（3）受照剂量因受照体厚度不同而减少；（4）量子检测效率（DQE）和调制传递函数（MTF）较高；（5）成像的动态范围大（10倍于传统DSA），更方便进行图像后处理，并可作快速采集（25帧/s）；（6）降低了图像的失真率，响应时间、分辨率和大范围的对比度的一致性性能良好，尤其对低密度的导管、导丝和支架等显示清晰。FPD数字化血管造影系统也存在着图像显示欠柔和，图像背景不透亮等不足：（1）像素坏点造成的影响：在FPD生产过程中，因制作工艺复杂，难免会有个别像素无法正常工作，当损坏的像素在某一局部达到一定数量时，会对使用者造成不良影响，表现为显示屏上的某一区域为恒定的高亮度或低亮度点，从而影响诊疗；（2）像素增益差别造成的影响：FPD在制作过程中虽然每个像素的工艺、处理方法都采取严格一致的标准，仍难保证像素成像性能的一致性，造成像素和像素之间成像的差异，如亮度、对比度的差异，最终对诊断造成不利影响。为了避免此种情况的出现，可在外电路中增加增益校准电路，用以平衡此差异。各个厂家采用的生产工艺不同，在感光度、灵敏度和分辨率上都有所差异，放射线剂量也有高有低，噪声水平也不相同，各有所长，也有不断改进和完善的空间［2］。

 

4 平板血管造影系统在介入诊疗中的特殊应用技术

4.1 下肢血管步进跟踪DSA造影技术的应用 步进采集技术始于20世纪90年代中期，是保证床体的运动速度与造影剂流动的速度相一致，注射一次造影剂，即可以获得一幅连续的无缝连接实时的DSA图像。目前的平板血管造影机避免了传统DSA中造影剂流动速度和步进采集时间不匹配的弊端，使得步进技术日趋成熟。GE公司的Innova 3100、西门子公司的Axiom Artis dTA和飞利浦公司的Allura Xper FD 20都具有这种即节省造影剂又减少X线曝光次数的采集技术。 4.2 旋转DSA采集技术的应用 20世纪90年代后期研制的旋转采集DSA技术是指：旋转一次机架，注射一次造影剂，可得到一幅旋转的图像，保证医生从多个角度观察血管的形态。此项技术已应用于心脑血管、颈部血管、肺动脉、腹腔动脉、肾动脉、髂动脉、下肢血管、胆道等多部位的检查。早期具有旋转采集技术的传统DSA，机架旋转速度约40~45°/s，旋转角度约在0~240°。基于数字平板技术的DSA，如西门子的dTA和岛津的Safire VF，其旋转速度可达到60°/s，旋转角度310°，可以保证在采集过程中，特别是神经介入过程中，能做到快速采集，这不仅有助于更快地制订治疗方案，而且可以有效减少对患者和医生的辐射剂量，减少造影剂的需求［8］。 4.3 三维重建DSA技术的应用 所谓三维重建技术是利用血管造影机做旋转DSA造影，将多角度的旋转DSA的二维原始图像所有信息分解为每一个体素，通过专业工作站的重建获得的三维图像。三维DSA在颅内动脉瘤诊疗方面优于二维DSA和旋转DSA［9］。平板探测器技术的出现推动了三维技术的发展，旋转速度从最初的15°/s，发展到现在60°/s，快速的旋转使得在造影过程中造影剂的用量减少，使患者更安全，图像质量更高。西门子公司率先在平板探测器的血管机上应用该项技术，其后岛津公司在Bransist Safire上亦采用了三维重建技术。目前该项技术已日趋成熟，主要的重建方式多为表面遮盖法重建技术（SSD）、最大密度投影（MIP）、容积重建技术（VR）或多层面重建术（MPR）等技术，比较成熟的软件有仿真内镜技术，三维血管狭窄度测量软件等技术。展望未来,随着微电子学与电子计算机的发展以及分子医学的发展,医学影像技术进入了全新的数字医学影像时代。DSA设备将不断改进，应用领域也日益扩大，特别是在介入医学领域，展示着广阔的前景。

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