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平板探測器全數字血管造影系統的技術發展

來源:《中華現代影像學雜志》 作者: 2009-8-24
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摘要: 血管造影。介入醫生所使用的最重要的影像設備是數字減影血管造影(digital subtraction angiogrphy,DSA)系統。本文就目前國內外DSA設備的新技術發展及其應用的新進展,結合大量文獻進行綜述,重點介紹介入醫生密切關注的平板探測器(flat panel detectors,FPD)在DSA設備的應用原理及技術特點,及其在臨床醫學應用中的技......


【關鍵詞】  介入放射學;血管造影;發展

20世紀70年代興起的介入放射學(interventional radiology)是在影像監視下對某些疾病進行治療的新技術,使一些用內科藥物治療或外科手術治療難以進行或難以奏效的疾病得到有效的醫治。縱觀30年來介入放射學的應用與發展,可以看出介入放射學在臨床工作中的地位明顯提高,已成為醫院中作用特殊、任務重大、不可或缺的重要臨床科室,已成為同內科和外科并列的三大治療體系之一[1]。介入醫學的發展與影像設備和臨床醫學密切相關,而影像設備是介入醫生的“眼睛”。介入醫生所使用的最重要的影像設備是數字減影血管造影(digital subtraction angiogrphy,DSA)系統。本文就目前國內外DSA設備的新技術發展及其應用的新進展,結合大量文獻進行綜述,重點介紹介入醫生密切關注的平板探測器(flat panel detectors,FPD)在DSA設備的應用原理及技術特點,及其在臨床醫學應用中的技術優勢。

    1  平板探測器

  (FPD)在DSA設備的應用原理隨著心腦血管疾病和腫瘤發病率的不斷提高,介入治療醫生的工作負擔逐步加重,而醫生在進行介入治療時必須長時間的接觸放射線;治療技術的發展,如血管支架向小型化的發展,使其在X線下越來越不容易被發現。但隨著數字X線成像技術的日臻完善以及計算機技術的發展,FPD應用到最新DSA設備中,有效解決了上述問題。由FPD取代傳統的影像增強器(I.ITV)影像鏈,省去了中間環節(I.I、光學系統、攝像頭、模/數轉換器)的多次轉換,整個過程均在FPD內進行,直接獲取數字化圖像,避免了傳統影像鏈多個環節傳輸所造成的失真、噪聲及分辨率下降,減少了復雜的外圍控制部分,使控制更為直接簡單,顯示出傳統DSA無法比擬的技術優勢[2]。新一代的FPD與影像增強器相比,擴展了數字化采集的能力,在呈現優質臨床圖像的同時,達到降低X線劑量的效果,提高了對醫生和患者的保護。DSA設備中的FPD技術有直接方式與間接方式2種類型:直接方式的檢測元件采用光電導材料非晶體硒(aSe)層(非熒光層)加薄膜晶體管(thinfilm transistor,TFT)陣列構成,它可以將X射線直接轉換成電信號、產生數字信號。優點在于檢測晶體的厚度較薄,轉換速度會較快;缺點在于量子檢測效率(DQE)略遜于間接型FPD,并且在應用時外加數千伏的電壓,對薄膜晶體開關形成極大的威脅,引起較大的噪聲。間接方式則采用碘化銫(CsI熒光體層)與具有光電二極管作用的非晶體硅層加TFT陣列構成。它先將X線轉換成可見光,再轉換成電信號,從而產生數字信號。優點在于穩定性較好、轉化率高;缺點是CsI的制作工藝比非結晶硒均勻層的制作工藝復雜,且需要光敏二極管[3]。前者的平板探測器空間分辨率優于后者,并且在有臨床意義的空間分辨范圍下具有更好的量子檢出效能特性[4]。在低曝光劑量條件下,成像質量非晶硅FPD系統優于非晶硒系統;在獲得相同的影像質量的前提下,使用前者進行X射線攝影可以降低被檢者受照劑量[5]。兩種類型FPD的時間分辨率均可以滿足血管造影的需要,達到7.5~30幀/s的采集。

    2  平板探測器的尺寸及生產廠家

  目前市場上能夠提供平板探測器全數字化血管造影系統的廠家有:美國的通用電器(GE)公司,德國西門子(Siemens)公司,荷蘭的飛利浦(Philips)公司和日本島津(Shimadzu)公司。前三者采用了間接型FPD,在中國的裝機量約100余臺。Shimadzu公司采用自主開發的非晶體硒FPD,具有更高的空間分辨率(像素尺寸150 um,3.3 LP/mm),其開發的RSMDSA可以在患者運動狀態下實現清晰的減影采集,克服了重癥患者無法配合檢查的難題。最早的平板血管造影系統是GE公司2000年3月推出的Innova 2000,邊長為20.5 cm×20.5 cm,對角線為29 cm,與傳統12英寸的影像增強器的DSA直徑相同,由于探測器較小,GE將該機定位為以心臟介入為主的兼容機。2002年推出了邊長為41 cm×41 cm的Innova 4100,解決了外周血管的介入治療問題;2004年推出了邊長31 cm×31 cm的Innova 3100,認為這款機器為“黃金”兼容機。GE公司Innova系列平板探測器均為正方形,像素大小均為200 Vm,空間分辨率為2.75 LP/mm。德國西門子的Axiom Artis dFC和荷蘭飛利浦Allura Xper FD 10平板血管造影系統在2001年北美放射年會RSNA01首次推出,FPD采用17.6 cm×17.6 cm的小尺寸,對角線為25 cm,像素184 vm,空間分辨率為2.75 LP/mm,作為心臟介入專用機。RSNA03西門子和飛利浦同時分別推出懸吊式的大平板血管造影機Axiom Artis dTA和 Allura Xper FD 20;RSNA04西門子又展出了落地式的Axiom Artis dFA;三者作為兼容性的血管造影系統,平板為30 cm×40 cm,像素154 Vm,空間分辨率3.25 LP/mm。兩公司宣稱,30 cm×40 cm長方形的FPD最符合人體解剖結構,平板徑向放置可快速進行全下肢血管造影,橫向放置可以覆蓋全身任意解剖部位,而且大平板可進行±90°的旋轉,西門子稱其為“通用血管造影系統”。2003年西門子公司首次向全球推出Axiom Artis dBC,17.6 cm×17.6 cm的雙平板血管造影系統。2005年荷蘭飛利浦公司在美國心臟病學年會(ACC)宣布將推出Allura Xper FD 10/10雙平板血管造影系統。RSNA06島津公司展出了直接轉換式FPD的血管造影機Bransist Safire,該系統采用全新圖像處理核心,在圖像處理以及管理流程上比HeartSpeed Safire取得進一步飛躍,可以實現最快速的三維血管檢查(60°/s的3DDSA),并且可以同時獲得軟組織斷面圖像,使介入醫生不必再為了解軟組織的情況而頻繁地在導管室和CT室之間傳遞患者。

    3  FPD數字血管造影系統的優缺點與傳統

  DSA系統相比,FPD數字化血管造影系統的主要優點:(1)照射劑量減少,與傳統DSA影像鏈相比,按照透視時使用的脈沖率不同和肢體的厚度不同,射線劑量大幅降低[6]。當使用15幀/s~30幀/s的圖像采集率進行透視時,照射劑量會降低15%~75%;有的公司介紹比傳統DSA系統可降低劑量60%;王志康等[7]的研究表明,在相同的閾值檢測指數值下,FPD DSA的透視劑量不到傳統DSA的50%;(2)影像的空間分辨率和密度分辨率較高,使用傳統的分辨率測試卡,可見數字平板分辨率明顯優于傳統影像鏈,而且影像的層次豐富,細節清晰;(3)受照劑量因受照體厚度不同而減少;(4)量子檢測效率(DQE)和調制傳遞函數(MTF)較高;(5)成像的動態范圍大(10倍于傳統DSA),更方便進行圖像后處理,并可作快速采集(25幀/s);(6)降低了圖像的失真率,響應時間、分辨率和大范圍的對比度的一致性性能良好,尤其對低密度的導管、導絲和支架等顯示清晰。FPD數字化血管造影系統也存在著圖像顯示欠柔和,圖像背景不透亮等不足:(1)像素壞點造成的影響:在FPD生產過程中,因制作工藝復雜,難免會有個別像素無法正常工作,當損壞的像素在某一局部達到一定數量時,會對使用者造成不良影響,表現為顯示屏上的某一區域為恒定的高亮度或低亮度點,從而影響診療;(2)像素增益差別造成的影響:FPD在制作過程中雖然每個像素的工藝、處理方法都采取嚴格一致的標準,仍難保證像素成像性能的一致性,造成像素和像素之間成像的差異,如亮度、對比度的差異,最終對診斷造成不利影響。為了避免此種情況的出現,可在外電路中增加增益校準電路,用以平衡此差異。各個廠家采用的生產工藝不同,在感光度、靈敏度和分辨率上都有所差異,放射線劑量也有高有低,噪聲水平也不相同,各有所長,也有不斷改進和完善的空間[2]。

    4  平板血管造影系統在介入診療中的特殊應用技術

    4.1  下肢血管步進跟蹤DSA造影技術的應用  步進采集技術始于20世紀90年代中期,是保證床體的運動速度與造影劑流動的速度相一致,注射一次造影劑,即可以獲得一幅連續的無縫連接實時的DSA圖像。目前的平板血管造影機避免了傳統DSA中造影劑流動速度和步進采集時間不匹配的弊端,使得步進技術日趨成熟。GE公司的Innova 3100、西門子公司的Axiom Artis dTA和飛利浦公司的Allura Xper FD 20都具有這種即節省造影劑又減少X線曝光次數的采集技術。

    4.2  旋轉DSA采集技術的應用  20世紀90年代后期研制的旋轉采集DSA技術是指:旋轉一次機架,注射一次造影劑,可得到一幅旋轉的圖像,保證醫生從多個角度觀察血管的形態。此項技術已應用于心腦血管、頸部血管、肺動脈、腹腔動脈、腎動脈、髂動脈、下肢血管、膽道等多部位的檢查。早期具有旋轉采集技術的傳統DSA,機架旋轉速度約40~45°/s,旋轉角度約在0~240°。基于數字平板技術的DSA,如西門子的dTA和島津的Safire VF,其旋轉速度可達到60°/s,旋轉角度310°,可以保證在采集過程中,特別是神經介入過程中,能做到快速采集,這不僅有助于更快地制訂治療方案,而且可以有效減少對患者和醫生的輻射劑量,減少造影劑的需求[8]。

    4.3  三維重建DSA技術的應用  所謂三維重建技術是利用血管造影機做旋轉DSA造影,將多角度的旋轉DSA的二維原始圖像所有信息分解為每一個體素,通過專業工作站的重建獲得的三維圖像。三維DSA在顱內動脈瘤診療方面優于二維DSA和旋轉DSA[9]。平板探測器技術的出現推動了三維技術的發展,旋轉速度從最初的15°/s,發展到現在60°/s,快速的旋轉使得在造影過程中造影劑的用量減少,使患者更安全,圖像質量更高。西門子公司率先在平板探測器的血管機上應用該項技術,其后島津公司在Bransist Safire上亦采用了三維重建技術。目前該項技術已日趨成熟,主要的重建方式多為表面遮蓋法重建技術(SSD)、最大密度投影(MIP)、容積重建技術(VR)或多層面重建術(MPR)等技術,比較成熟的軟件有仿真內鏡技術,三維血管狹窄度測量軟件等技術。展望未來,隨著微電子學與電子計算機的發展以及分子醫學的發展,醫學影像技術進入了全新的數字醫學影像時代。DSA設備將不斷改進,應用領域也日益擴大,特別是在介入醫學領域,展示著廣闊的前景。

【參考文獻】
  1 吳恩惠.醫學影像學.北京:人民衛生出版社,2005,12.

2 聶俊輝,劉劍勝,高守樂.全數字化介入X線系統的性能改進.醫療設備信息,2006,21(11):33.

3 魯雯,張兆臣,孫勇,等.全數字化平板血管造影新技術的研究與探討.中國醫學裝備,2005,2(8):2728.

4 李敏.數字減影造影設備的新技術發展及其應用.醫療衛生裝備,2005,26(12):54.

5 王鵬程,張富利,李士駿.兩種平板探測器X線攝影系統的成像計量與成像質量的比較研究.中華放射醫學與防護雜志,2006,26(4):401404.

6 章云軍,陳瑞生,范良好,等.平板探測器血管造影機冠脈造影患者吸收劑量研究.浙江預防醫學,2006,18(4):911.

7 王志康,孫建軍,章偉敏.平板DSA和Ⅱ/TV DSA在透視下的影像質量和輻射劑量比較.中華放射醫學與防護雜志,2006,26(4):392395.

8 邵合德,曾憲強,王榮勤.旋轉DSA在血管性病變介入診斷治療中的應用研究.中國醫刊,2006,33(4):8283.

9 翟永亭,李天曉,曹云存,等.三維DSA與二維DSA在顱內動脈瘤診療中應用價值的比較.醫藥論壇雜志,2006,27(16):3337.

(本文編輯:喬 雨)


作者單位:1 054000 河北,邢臺醫專第二附屬醫院影像科 2 河北,金能邢臺礦業集團總醫院介入科


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