第十一章DSA成像理论.docx

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第十一章DSA成像理论

第十一章DSA成像理论

第一节基本原理

一、成像原理

（一）概述

DSA由美国威斯康星大学的Mistretta小组和亚利桑纳大学的Nadelman小组首先研制成功，于1980年11月在芝加哥召开的北美放射学会上公布于世。

数字减影血管造影基于数字荧光成像。

60年代初，X线机与影像增强器、摄像机和显示器相连接。

60年代末，II结构上开发了碘化铯输入荧光体。

80年代初，开始了数字X线成像，在X线电视系统的基础上利用计算机数字化处理，使模拟视频信号经过采样模数转换（A／D）后直接进入计算机进行存储、分析和保存。

这种系统实际上是X线电视系统与计算机数字图像系统的结合。

其最具有代表性的是数字减影血管造影，它使得血管造影的临床诊断能够快速、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，亦促成了专门用于数字减影血管造影临床应用的设备——DSA系统产品的诞生。

（二）成像原理

DSA是建立在图像相减的基础上的。

最早是利用两相似图像照片，作光学减影处理，来突出两者间的差别。

目前的DSA是基于顺序图像的数字减影，其结果是在减影图像中消除了整个骨骼和软组织结构，使浓度低的对比剂所充盈的血管在减影图像中被显示出来。

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一系列扫描。

扫描本身就是把整个图像按一定的矩阵分成许多小方块，即像素。

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。

再把采集到的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／模转换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。

对釆集到的没有注入对比剂的数字图像矩阵存于存储器1内作为mask像。

把釆集到注入对比剂的数字图像矩阵存于存储器2内，称其为造影像。

然后经运算逻辑电路使两图像对应部分进行数字相减，则得出减影图像矩阵，存入显示存储器中，再经显示器显示出耒，即减影像。

因此，在造影期间进行两次曝光，一次是在对比剂到达兴趣区之前，一次是在对比剂到达兴趣区并出现最大浓度时。

如果病人在曝光过程中保持体位不移动，则两图像之间的唯一差别是含有对比剂的血管，它们两者的差值信号就是DSA的信号。

随着血管内碘浓度（PI）与血管直径（d）乘积的增加，DSA差值信号也增加。

故DSA的信号由对比剂的投射浓度（PI）和血管直经（d）所决定。

二、成像方式

DSA的成像方式分静脉性DSA和动脉性DSA。

静脉DSA分外周静脉法和中心脉法；动脉DSA分选择性动脉DSA和超选择性动脉DSA。

现阶段随介入放射学的发展及广泛的临床应用，以选择性和超选择动脉DSA为主。

（一）静脉DSA（IVDSA）

发展DSA最初的动机是希望从单的静脉注射方式显示动脉系统，因此，最早应用的DSA检查采用外周静脉（如肘静脉）注射大量对比剂。

但是，实验与临床应用的结果很快证实，即使是显示较大的血管，也需作对比剂团注。

团注（bolusinjection）的概念是在单位时间内血管内注入一定量的对比剂，其量略大于同期血管内的血流量，从而取代该节段血管内的血液。

当这部分血流流经兴趣血管时，其中的对比剂仍保持密实，稀释较少，从而达到较高的对比。

但是，静脉内团注的对比剂在到达兴趣动脉之前要在各心腔与循环被稀释。

稀释程度可以用简单的流量理论估计静脉给造影时被稀释的情况。

静脉内团注的对比剂在到达兴趣动脉之前要在各心腔与肺循环被稀释，稀释的碘的平均动脉浓度（P）是所注射碘的总量（mg）除以造影团块通过期间的血容量（ml）即：

P为碘的平均动脉浓度；Pc为对比剂浓度；R为注射速率；T为注射时间；V为对比剂团块通过期间总血量。

在外周静脉法中，对比剂离开左心室时需要8s，R为20ml/s，T为2s，假设心输出量为100ml/s，将此值代入上式；

这就是说，当对比剂从外周静脉到达动脉系统时，其原来的平均碘浓度已被稀释为1／20。

另外，还可以用指示剂稀释法或Stew-ant-Hamilton关系式来描述对比剂衰减的时间一浓度曲线，估计造影剂的稀释情况。

注射碘总量

曲线的峰值碘密度∝---------------------

中心血容量

中心血容量

对比剂团曲线宽∝----------------------

心输出量

Stewant-Hamilton是对染料稀释技术感兴趣的生理学家。

IV-DSA也可以认为是一种首次通过的染料稀释检查，染料即为对比剂。

中心血量是指注射部位与感兴趣区之间的所有血量，对比剂在此过程中被稀释。

兴趣血管的显示还和显影峰值碘浓度及对比剂团廓清曲线宽度有关。

Stewant-Hamilton关系式对DSA的提示：

1.动脉内碘浓度与对比剂的碘浓度成正比。

2.兴趣区血管内峰值碘浓度与注射对比剂的剂量有关，注射的对比剂量与对比剂凛清曲线峰值高度成正比，但不影响曲线宽。

因而，IVDSA检查中若希望得到较理想的高而窄的对比剂廓清曲线（时间一浓度曲线），一般要每次注射大剂量对比剂，一次典型的IVDSA检查大约需要注射40g碘甚至更多。

所以说静脉给对比剂时，动脉内的碘浓度大大降低，实际应用中IVDSA需要对比剂的量大而浓度高。

3．IVDSA时．动脉内碘浓度取决于所给予的碘总量，与注射速率无关。

因为，对比剂团块必须流经体循环和肺循环，且循环路径长。

在心血管的弹性限制和耐受范围内，对比剂的流率是很难改变病人原有的血流速度。

4.IVDSA时，注射位置可行中心或外周注射对比剂，前者是指把导管顶端送到右心房或上、下腔静脉开口附近，后者只需在肘部穿刺后使导管沿正中或贵要静脉上行10cm以上。

和中心注射相比，外周注射较方便。

但是对比剂注射速度相应较低，中心血容量较大。

比如以10ml/s速度注射40ml对比剂，则注射时间已长达4s，大致相当于肺循环时间。

中心血容量为心输出量与平均通过时间的积，即对比剂在其中被稀释的血量。

中心血容量增加导致对比剂团廓清曲线的峰值降低，宽度增加。

和中心注射相比，外周注射时碘信号值大约减少20％。

DSA中，血管显示需要的最低限度的碘量与血管直径成反比，故低的碘信号值对于小血管的显示极为不利。

5．心功能差的病人，心输出量低，而中心血量高。

这样，将降低时间一浓度曲线的峰值，并延长曲线宽度。

心功能太差的病人，不宜做IVDSA，原因是大剂量的造影剂加重了病人的负荷，高渗性的离子型造影剂也使血容量增加，图像质量差。

综上所述，IVDSA中的外周静脉法，动脉显影的碘浓度是所注射对比剂浓度的1／20，对比剂团块特性曲线的峰值与注射碘的总量成正比，与心输出量成正比，与中心血量成反比。

所以，IVDSA是一种高剂量的造影检查，每次检查需要多次注入大量造影剂，方能显示感兴趣区的全貌。

（二）动脉DSA（IADSA）

IADSA分选择性动脉DSA和超选择性动脉DSA。

目前应用广泛，它使用的对比剂浓度低，对比剂团块不需长时间的传输与涂布，并在注射参数的选择上有许多灵活性。

同时影像重叠少，图像清晰，质量高，DSA成像受病人的影响减小，对病人的损伤也小。

DSA的一个极为重要的特性是，DSA显示血管的能力与血管内碘浓度和曝线量平方根的乘积成正比。

比如，欲使一直径2mm的血管及其内径1mm的狭窄，与一直径4mm的血管及其内径2mm的狭窄成像一样清晰，可有两种选择：

将血管内的碘浓度加倍或将曝线量提高到4倍。

在这种情况下，大大提高曝线量，从设备的负荷与病人的辐射剂量方面讲都是不现实的。

当然以提高血管内的碘浓度更为可取，因而动脉DSA及其亚型（选择和超选择IADSA）的方法应运而生。

IADSA时，对比剂直接注入兴趣动脉或接近兴趣动脉处，对比剂稀释要轻微得多。

比如，在颈总动脉于1s内注入8m115％的对比剂（75mgI／ml），同时典型的血流速度为8ml／s，那么由于注射的压力，对比剂可潜在地置换血流达1s。

即使有些轻微的稀释，动脉内的碘浓度在此期间也仍会有50～70mgI／ml，比用较高剂量，较高浓度注射的IVDSA可在同一部位达到的碘浓度仍高约3～4倍，可明显改善小血管的显示。

由于DSA对于对比剂的对比信号很敏感，当血管内对比剂浓度太高时，重叠血管就不易观察。

IADSA与血管造影相比，对比剂的用量将降低1/3～1/4。

在实际工作中，对比剂的用量、注射速率，要根据兴趣动脉的内径流量及注射部位至靶器官的距离作适当的调整。

对于IADSA时血管内碘含量的计算，可通过时间一视频密度曲线和时间一浓度曲线对感兴趣区进行测量与推算，可得到对比剂出现和消失的时间，对比剂在血管内循环过程及流率，对比剂时间一浓度曲线的波幅、波宽、斜率等。

这些指标对选择造影剂的量、浓度、流率有参考价值，同时对疾病的诊断提供科学的依据。

综上所述，IVDSA有以下缺点：

1.静脉内注射的造影剂到达兴趣动脉之前要经历约20倍的稀释；

2.需要高浓度和大剂量的造影剂；

3.显影血管相互重叠对小血管显示不满意。

4.并非无损伤性，特别是中心静脉法DSA。

IADSA通过临床实践具有如下优点：

1.造影剂用量少，浓度低。

2.稀释的造影剂减少了病人不适，从而减少了移动性伪影。

3.血管相互重叠少，明显改善了小血管的显示。

4.灵活性大，便于介入治疗，无大的损伤。

（三）动态DSA

DSA的影像是从蒙片与含造影片相减的过程中分离出来的。

在造影过程中，由于肢体移动，就会出现蒙片与造影片配准不良，而产生运动性伪影的DSA图像。

然而，随着DSA技术的发展，对于运动部位的DSA成像，以及DSA成像过程中球管与检测器同步运动而得到的系列减影像，均已成为了事实。

所以，将DSA成像过程中，球管、人体和检测器的规律运动的情况下，而获得DSA图像的方式，称之为动态DSA。

三、减影方式

DSA的减影方式基本上分为三种，即时间减影、能量减影和混合减影。

20世纪60年代曾经釆用过光学减影、电视减影，目前已不在应用。

现应用最多的是时间减影中连续方式、脉冲方式和路标方式。

（一）时间减影

时间减影是DSA的常用方式，在注入的对比剂团块进入兴趣区之前，将一帧或多帧图像作mask像储存起来，并与时间顺序出现的含有对比剂的充盈像一一进行相减。

这样，两帧间相同的影像部分被消除了，而对比剂通过血管引起高密度的部分被突出地显示出来。

因造影像和mask像两者获得的时间先后不同，故称时间减影。

1.常规方式：

常规方式是取mask和充盈像各一帧进行相减，有手动和自动供选择。

手动时由操作者在曝光期根据监视器上显示的造影情况，瞬间摄制mask和充盈像，mask的选定尽可能在血管充盈前的一瞬间，充盈像的选定以血管内对比剂浓度最高为宜；自动时由操作者根据导管部位至造影部位的距离、病人的血液循环时间、事先设定注药至mask间的时间，以及注药到充盈像的时间。

这样，mask像和充盈像就根据设定而确立，并作减法运算。

2.脉冲方式：

脉冲方式为每秒进行数帧的摄影，在对比剂未注入造影部位前和对比剂逐渐扩散的过程中对X线图像进行采集和减影，最后得到一系列连续间隔的减影图像。

此方式与间歇性X线脉冲同步，以一连串单一的曝光为其特点，射线剂量较强，所获得的图像信噪比较高，图像质量好，是一种普遍采用的方式。

这种方式主要适用于脑血管、颈动脉、肝动脉、四肢动脉等活动较少的部位，对腹部血管、肺动脉等部位的减影也可酌情使用。

3.超脉冲方式：

超脉冲方式是在短时间内进行6~30帧／秒的X线脉冲摄像，然后逐帧高速重复减影，具有频率高、脉宽窄的特点。

连续观察X线数字影像或减影图像，具有动态显像。

这种方式的优点是能适应心脏、冠脉、主肺动脉等活动快的部位，图像的运动模糊小。

4.连续方式：

X线机连续发出X线照射，得到与电视摄像机同步、以25~50帧／秒的连续影像信号。

亦类似于超脉冲方式，以电视视频速度观察连续的血管造影过程或血管减影过程。

这种方式的图像频率高，能显示快速运动的部位，如心脏、大血管，单位时间内图像帧数多，时间分辨率高。

5.时间间隔差方式：

mask像不固定，顺次随机地将帧间图像取出，再与其后一定间隔的图像进行减影处理，从而获得一个序列的差值图像。

mask像时时变化，边更新边重新减影处理。

时间间隔方式相减的两帧图像在时间上间隔较小，能增强高频部分，降低了由于病人活动造成的低频影响，对于心脏等具有周期性活动的部位，适当地选择图像间隔帧数，进行时间间隔方式减影，能够消除相位偏差造成的图像运动性伪影。

时间间隔也可以作为后处理方式。

6.路标方式：

路标技术的使用为介入放射学的插管安全迅速创造了有利条件。

具体操作是：

先注入少许对比剂后摄影，再与透视下的插管作减影，形成一幅减影血管图像，作为一条轨迹并重叠在透视影像上。

这样就可以清楚地显示导管的走向和尖端的具体位置，使操作者顺利地将导管插入目的区域。

这种方法分为三个阶段：

（1）活动的数字化透视图像，踩脚闸到松开脚闸，最后的图像—辅助mask图像形成；

（2）活动的减影透视，减影开始于一幅mask形成之后，只要没有注射对比剂，监视器上就没有图像，注射少量对比剂后，血管开始显像，血管充盈最多时对比度最高，此时充盈像代替了辅助mask；

（3）活动的图像与透视mask相减，显示差值部分。

综上所述，路标技术是以透视的自然像作“辅助mask”，用含对比剂的充盈像取代辅助mask而作实际mask，与后来不含对比剂的透视像相减，获得仅含对比剂的血管像，以此作为插管的路标。

7.心电触发脉冲方式：

心电触发X线脉冲与固定频率工作方式不同，它与心脏大血管的搏动节律相匹配，以保证系列中所有的图像与其节律同相位，释放曝光的时间点是变化的，以便掌握最小的心血管运动时刻。

外部心电图信号以三种方式触发采像：

①连续心电图标记；②脉冲心电图标记；③脉冲心电图门控。

心电触发方式避免了心脏搏动产生的图像运动性模糊。

所以，在图像频率低时也能获得对比度和分辨率高的图像。

此方式主要用于心脏大血管的DSA检查。

（二）能量减影

能量减影也称双能减影、K缘减影。

即进行兴趣区血管造影时，同时用两个不同的管电压如70kV和130kV取得两帧图，作为减影对进行减影，由于两帧图像是利用两种不同的能量摄制的，所以称为能量减影。

能量减影是利用碘与周围软组织对X线的衰减系数在不同能量下有明显差异这一特点进行的，在质量衰减系数与能量曲线上，碘在33keV时，其衰减曲线具有锐利的不连续性，此临界水平称K缘。

而软组织衰减曲线则是连续的，没有碘的特征，并且能量越大，其质量衰减系数越小。

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（若分别为70kV和120~130kV）曝光，则后一帧图像比前一帧图像的碘信号大约减少80%，骨信号大约减少40%，气体则在两个能级上几乎不衰减。

若将这两帧像相减，所得的图像将有效地消除气体影，保留少量的软组织影及明显的骨与碘信号。

若减影前首先将130kV状态时采集的影像由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，仅留下较少的骨信号及明显的碘信号。

（三）混合减影

混合减影（hybridsubtraction）是1981年Bordy提出了这种技术，基于时间与能量两种物理变量，是能量减影同时间减影技术相结合的技术。

其基本原理是：

对注入对比剂以后的血管造影图像，使用双能量K缘减影，获得的减影像中仍含有一部分骨组织信号。

为了消除这部分骨组织信号，得到纯含碘血管图像，须在造影剂未注入前先做一次双能量K缘减影，获得的是少部分骨组织信号图像，将此图像同血管内注入对比剂后的双能K缘减影图像再作减影处理，即得到完全的血管图像，这种技术即为混合减影技术。

混合减影经历了两个阶段，先消除软组织，后消除骨组织，最后仅留下血管像。

混合减影要求在同一焦点上发生两种高压，或在同一X线管中具有高压和低压两个焦点。

所以，混合减影对设备及X线球管负载的要求都较高。

2009年“全国卫生专业技术资格考试指导”“放射医学技术“（36）

中级《专业知识》（3）

第十一章DSA成像理论

第二节特殊功能

本节介绍的是动态DSA。

隨着DSA技术的发展，对于运动部位的DSA成像以及DSA成像过程中X线管与检测器同步运动而得到系列减影像，已成了事实。

所以，将DSA成像过程中，X线管、人体和检测器规律运动的情况下，而获得DSA图像的方式，称之为动态DSA。

按照C形臂的运动方式分为：

旋转运动、岁差运动、钟摆运动和步进。

这些检查技术，可实时动态三维显示。

一、旋转和岁差运动

（一）旋转运动DSA

旋转DSA是在C臂旋转过程中注射对比剂、进行曝光采集，达到动态观察的检查方法。

它利用C臂的两次旋转动作，第一次旋转采集一系列蒙片像，第二次旋转时注射对比剂、曝光采集充盈像，在相同角度采集的两幅图像进行减影，以获取序列减影图像。

近期新的DSA成像设备，由于新软件的开发，不再单采集蒙片步

实时旋转DSA技术采用的是角度触发技术，即C臂旋转中每间隔一定的角度自动进行图像的采集，从而大大降低了射线剂量，为医生及患者提供了最大程度的保护。

旋转速度由早期的250/s。

发展到600/s，图像幀频为8-75/s可调。

。

实时旋转DSA技术实际上是对常规体位DSA检查的重要补充，只通过一次对比剂的注入就可以获得不同角度的多维空间血管造影图像，增加了影像的观察角度，能从最佳的位置观察血管的正常解剖和异常改变，提高病变血管的显示率。

该技术在临床上主要应用于心血管以及头颈部血管性病变，尤其是颅内动脉瘤的诊断，应用实时旋转DSA技术可以做到多角度全面观察病变部位，并可清楚地显示出动脉瘤的瘤颈，为治疗方案的选择和术后效果的评定提供了最直观的影像根据。

（二）岁差运动DSA

岁差运动是相对于旋转DSA运动观察的另一种运动采集形式。

类似于常规体层摄影圆轨迹焦点和胶片的运动方式，该运动由C臂带动检测器和X线管同步转动完成。

岁差运动利用C臂和托架两个方向的旋转，精确控制其转动方向和速度，形成了X射线管焦点在同一平面内的圆周运动，增强器（检测器）则在C臂的另一端，与焦点运动平面平行的平面内作相反方向圆周运动。

该运动模式与天文学中的岁差运动相似，故称为岁差运动。

在运动中注射对比剂、曝光采集，形成系列减影像，同时实时动态显示。

它对于观察血管结构的立体关系十分有利。

在临床应用中，岁差运动主要用于腹部、盆腔血管重叠的器官，以观察血管立体解剖关系。

二、步进

步进主要用于四肢动脉DSA的检查，尤其是下肢血管造影的跟踪摄影，同时对介入治疗很有临床应用价值。

（一）工作原理

采用快速脉冲曝光采集图像，实时减影成像。

在脉冲曝光中，X线球管和检测器保持静止，导管床携人体自动匀速地向前移动，或者是导管床与人体静止，X线球管和检测器匀速地向前移动。

通过检查床面或C臂的自动移动，跟踪对比剂在血管内充盈过程并连续获取造影图像，实时减影显示。

对跟踪采集的图像数据，计算机按顺序自动进行连接，以此获得该血管的全程减影像。

（二）步进方式

根据曝光时是静态下曝光还是动态下曝光，将步进分为分段步进和连续步进两种方式。

1.分段步进是以往常用的一种方式，予先设定步进程序。

当第一段曝光时序完成后，床面或X线管自动移动一定距离后仃止，此时进入第二段曝光区域，再进行曝光。

第三段、第四段以此类推。

相邻两曝光区域有部分重叠。

对于各区域段采集后的图像数据通过计算机处理进行剪接，获得血管全程减影像。

步进时序的设定以对比剂在血管内的流速决定，曝光时的区域应是对比剂在血管内充盈最佳时段。

此方式的缺点是步进及曝光时序难以与对比剂的充盈高峰相吻合。

2.连续步进指在注入对比剂的同时，X线管以脉冲曝光方式跟踪对比剂在血管内充盈高峰同步进行，利用窄X线束连续采集，即获得了全程血管图像数据，又可降低受检者的辐射剂量。

因是连续跟踪采集，重建后的全程血管减影图像不出现剪接处的位移影，血管连续显示。

在连续追踪采集的过程中，可以同时转动被检四肢，使重叠的血管分离显示