数字减影血管造影成像技术

第二节　数字减影血管造影成像技术

数字减影血管造影(DSA，digital subtraction angiography)是20世纪80年代初发展的与计算机结合的血管造影技术，是现代医学影像学数字放射学的一个重要内容。其作为一种专门显示血管的技术，包括两部分的内涵，即数字化和减影(subtraction)。早在1934年，Ziedses des Plantes就提出胶片间的光学减影方法，一直沿用到70年代末，其原理是基于胶片所含的固有信息，且依赖于胶片感光材料的性能，在减影过程中只会丢失信息而不会增加固有信息量。数字减影技术不依赖胶片，可捕捉到比胶片摄影的密度层次丰富得多的信息，而且经过计算机的灵活减影和复杂的后处理方法，可以获得对疾病的更多认识。事实上，数字减影技术不限于血管造影，也可应用于数字关节造影、数字喉造影、数字脊髓造影、数字乳腺造影、数字内窥镜造影等。数字减影可以有很多种不同的具体方法，主要分为时间减影方法和能量减影方法两大类:

1．时间减影方法(temporal subtraction)

是大部分数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)通常采用的减影方法，其特点是对沿时间轴采集到的序列X线血管造影像进行减影处理，最后得到可用于临床诊断的血管减影像。

( 1)脉冲影像方式　对X线机来说，脉冲影像方式如同以往的快速换片机连续摄影一样，以每秒数帧的间隙，用X线脉冲曝光，同时，DSA系统在对比剂未流入造影部位血管前和对比剂逐渐扩散的过程中对X线影像进行采样和减影，最后得到一系列的连续间隔的减影像。采用脉冲影像方式进行数字减影，技术上必须解决的一个问题是:必须保证每次X线影像采集时，前后各帧影像所接受到的X线剂量是稳定的。解决这个问题，具体涉及到X线机高压发生的稳定性、脉冲时序的稳定性以及采样时间的确定性及合理性。

( 2)连续影像方式　从X线机角度看，连续影像方式很像X线连续透视方式，它在整个减影实施过程中，X线机保持连续发出X线的状态。但是，连续影像方式真正的应用条件要求调整X线机，在减影采像期间，使用小焦点球管，管电流保持在15mA左右，即比普通的透视方式下管电流增大约一个数量级。连续影像方式可用于活动较快部位，如心脏、胸部大动脉、肺动脉等。在连续影像方式下，能以电视视频速度观察到连续的血管造影过程或血管减影过程，也同样应根据数字影像帧存储器容量选择数字X线影像帧保存速度。

2．能量减影方法(energy subtraction)能量减影也称双能减影、K缘减影。如图2－5所示。

图2－5　能量减影

图2－5中有3条吸收系数随X线能量而改变的曲线，分别为碘、骨组织和软组织的吸收系数曲线。所谓K缘是指碘在33keV能量水平时其射线吸收系数(衰减系数)显示一锐利的锯齿形不连续性。碘的这种衰减特征与碘原子在K层轨迹上的电子有关，若将一块含骨、软组织、空气和微量碘的组织分别用略低于和略高于33keV的X线能量(分别为70kVp和120～130kVp)曝光，则后一帧影像比前一帧影像碘信号大约减少80%，骨信号大约减少40%，软组织信号大约减少25%，气体则在2个能级上均衰减很少。若将这2帧影像减影，彼此将有效地消除气体影像，保留少量的软组织影像及明显的骨影像与碘信号。若减影前首先将130kVp状态时采集的影像由一大约1．33的因数加权，则减影处理后可以很好地消除软组织及气体影像，仅遗留较少的骨信号及明显的碘信号。

能量减影法还可以用来把不同吸收系数的组织分开，例如把骨组织或软组织从X线影像中除去，从而得到仅有软组织或仅有骨组织的影像。

从原理上讲，能量减影方法不失为一种较好的数字减影方法，但在实际实施过程中，能量减影技术对X线机的要求同普通常用的X线机有所区别。它要求X线管的电压在两种能量之间进行高速切换，这同目前绝大部分的X线机设计不吻合，增加了仪器的复杂性。因此，能量减影技术目前只能在一些专门设计的X线机上实施，无法推广到一般的X线机上。

3．三维数字减影血管造影利用数据采集系统进行的旋转血管造影术，可使一个感兴趣的血管或骨区域在C形臂旋转采集的过程中，从多个投射角度来加以显示。所得到的图像序列可以在工作站平台上进行3D重建，可以观察到真实立体感的三维图像，同时还可通过专门的测量软件，计算出病变的三维空间位置。

在介入诊断和治疗中应用DSA具有一系列优点:

(1)DSA具有实时(real time)成像的能力。在每个曝光序列曝光中止后，立即可在监视器上读出减影或未减影的图像，对导管和导丝的位置、兴趣区的循环结构、栓塞或扩张等的治疗效果以及其他有关信息进行实时成像。

(2)DSA设备可以绘制血管路径图，这是DSA设备专为介入性处理而设计的软件功能。介入处理前，先注射适量对比剂得到兴趣区血管的透视影像，经过数字化存储，用作蒙片;介入处理过程中，凡注射对比剂后摄得的透视影像均可数字化与蒙片减影，并在荧屏上实时显示出模拟影像。路径图是通过对透视影像间进行减影获得的，所以不需注射大量对比剂和规范的连续曝光。

(3)DSA设备比常规血管造影的密度分辨力明显提高，因此造影过程中降低了使用对比剂的浓度和剂量，从而减少了对比剂对人体的损害，费用上也更经济。

4．DSA设备配备了强大的后处理功能

数字减影的后处理方式主要运用于离线减影和影像增强。一方面，可能由于血管造影时采集到的序列原始影像信噪比、影像质量还希望进一步提高;另一方面，也可能在造影取像过程中病人产生了运动。因此，就提出了后处理的问题:后处理包括几种情况:①影像配准:由于有时病人在对比剂流入血管过程中产生了不自觉的移动，因此常常给数字减影血管影像带来一些麻烦。为了解决这一问题，通常在离线后处理中采用重选基像的方法，将基像做上下左右平移及微量旋转，使基像和原像能达到较好的重合。这一部分工作，在数字影像处理中称为影像配准，通常是在采完X线像后，在离线减影状态下进行。②减影像处理:为了达到理想的减影显示效果，DSA系统通常配置一些影像处理常用工具及方法，如影像边缘增强、影像放大、影像光滑、影像取反等，供使用人员在需要时选用。

目前DSA设备都配备了功能强大的工作站，图像通过C形臂旋转进行采集，图像传输至工作平台后，可以立即进行必要二维断层和三维重建。主要的重建方式有多平面重组图像(MPR，multiplane reconstruction)、表面遮盖成像法(SSD)、最大/最小密度投影(M IP/MinIP)、容积再现技术(VRT)、血管定量分析和冠状动脉测量分析(QVA，QCA)等。

(1)多平面重建(MPR)　是使用多平面重建，从容积计算任何平面的二次图像，例如，矢状面、冠状面或任何曲面显示。也可使用三维十字线或鼠标来快速滚动显示，以便获得三维效果。

(2)表面遮盖显示(SSD)　是指对容积表面重建。这些容积由多个体素(voxel)组成，这些体素的灰阶在由两个极限值即灰阶上限值和灰阶下限值定义的范围内。该方法尤其适合于显示骨结构或填充有对比剂的血管，但无法在组织密度方面进行细微区分，例如，血管中的钙化和对比剂不可再按照其密度在SSD中进行区分。

(3)最大密度投影(M IP)和最小密度投影(MinIP)是将具有最大/最小强度的容积单元(也称体素)被确定和投影到一表面上，这与其是否位于层叠的前面或后面无关。可用于血管始终在容积中被显示成具有最大强度灰阶值的结构，如注入碘对比剂的血管，但某些结构，尤其是骨，会在投影中产生干扰。如果骨和血管相互叠加在M IP投影上，则(较密的)骨的体素会涵盖血管的体素。在这种情况下，使用VOI(感兴趣区)减少目标容积，直到其仅包含待投影的血管。

(4)容积再现技术(VRT)　是一种创建彩色图像的方式，在这些彩色图像中，三维效应是使用透明度、遮盖和彩色过渡来实现的，整个容积数据集被包括在图像中，诸如骨和血管等的感兴趣区可通过指配合适的颜色和透明度值进行交互式显示。

(5)血管定量分析和冠状动脉测量分析(QVA、QCA)　包括血管轮廓的识别，长度、管径、截面积、角度等的测量与比较，血管横断面的灰阶值分析等，用于容积和狭窄的测量。

在介入操作中发生并发症时，时间对于病人的安全极为重要。部分先进的血管机能够采集像CT一样的图像，实现了在血管造影检查室中直接进行CT成像，提供类似CT软组织图像而无需在检查中将病人送至CT或MRI检查室，节约了时间，对于制订治疗方案能够提供更多支持。

现在先进的后处理工作站通常包含有多种通用应用程序包，可以查看多种图像格式，识别CT、MRI或PET图像，在进行造影过程中参考各种影像资料，提高诊断识别的能力。