決定數字血管造影系統綜合性能的關鍵參數研究
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一、購買數字血管造影系統的目的：
放射介入學的出現，徹底改變了放射學在醫學中的地位，使放射學不僅能夠診斷，而且能夠治療，并將診斷與治療有機的結合起來，它已滲透到了臨床學科的每一領域，其展示的優勢是其他治療手段所難以比擬的，它最大的優點是組織創傷小、適應癥廣、操作簡單、療效確切、并發癥少，已成為微創醫學重要的組成部分。如今，基于數字血管造影系統指導的介入放射學已發展成為內科、外科以外的第三種有效的臨床治療方法和手段。
目前在我國介入醫學技術的臨床應用可概括為以下幾方面：腫瘤的介入治療、門脈高壓癥的血管內介入治療、非腫瘤性病變及微血管病變的血管內介入治療、急性出血的動脈內拴塞治療、非血管內介入治療、細胞/分子（基因）水平的介入治療、心臟介入治療、神經介入治療等領域。
購買數字血管造影系統的目的就是為了在上述臨床應用領域，提高醫療質量，降低醫療風險，獲得受益；達到這個目的的方式就是減少漏診誤診，提高診斷符合率和手術精度，這一切都基于通過獲得優異的圖像質量來實現，而要獲得優異的圖像質量，數字血管造影系統必須擁有技術先進、性能穩定的影像鏈。因此，數字血管造影系統影像鏈的質量和性能是決定該系統綜合性能的關鍵因素。
二、數字血管造影系統的分類和成像原理
目前市場上數字血管造影系統分類：根據設備的機械結構不同可分為數字化多功能X線機、數字化C臂X線血管造影系統；數字化C臂X線血管造影系統又可分為懸吊式和落地式數字化C臂X線血管造影系統，數字化單C臂X線血管造影系統和數字化雙C臂X線血管造影系統；根據X線系統高壓發生器功率和輸出管電流大小可分為大型C臂數字血管造影系統和中型或小C臂數字血管造影系統；根據影像鏈成像介質不同可分為影像增強器/CCD數字血管造影系統、平板探測器數字血管造影系統、數字血管造影系統與多層螺旋CT混合的DynaCT等；此外，根據成像原理不同可分為傳統血管造影和數字減影血管造影系統。
傳統血管造影和數字減影血管造影（DSA）的手術操作方法基本相同，前者直接在X線膠片上顯示血管影像，DSA是通過計算機處理后的數字化影像。DSA的成像原理為：在計算機控制下，X線穿透人體后，經影像增強器增強，由攝像機將增強后的未注射對比劑圖像和注射過對比劑的圖像信息進行采集，并將前者與后者相減獲得一張數字化圖像，再經數/模轉換器轉換成減影圖像。平板探測器數字血管造影系統的最大特點是：由平板探測器取代了傳統影像鏈的影像增強器/CCD-TV系統和A/D轉換系統，減少了影像鏈模/數轉換中產生的噪音和畸變，使X線信號得到最大限度的利用，既大幅度降低X線照射劑量，還能在任何背景下都獲得清晰的血管造影和減影圖像。
三、決定數字血管造影系統綜合性能的關鍵參數
1、整機性能穩定性
整機性能穩定性如何取決于品牌和整機零部件來源的一致性。品牌價值是產品質量最簡約的保證，品牌知名度和美譽度越高，品牌價值越高。而零部件來源的一致性和品牌的同一性，決定了影像鏈性能的穩定性和零部件間的相互適配性高低。在數字血管造影設備領域，目前主流品牌依然是歐美產品，以SIEMENS、PHILIPS、GE為主。
由于各企業經營理念的差異，目前主要有兩種生產方式，一種是從數字血管造影設備的設計到生產走的是一條系統整體設計的一體化道路，這種模式是：為獲取優質圖像，X線球管、影像增強器/CCD系統、A/D轉換電路、或平板探測器等各零部件之間是預先經過統一規劃和設計考慮的，對數字化X線圖像信號獲取的整個成像鏈各環節都有質量要求，對造影系列圖像的獲取有時間軸上的X線穩定性要求，對數字圖像處理系統有快速、實時、高分辨率、圖像灰階多的要求，從X線機到X線電視系統或X線平板探測器系統到數字圖像系統都由同一品牌公司提供，且所有這些決定了數字血管造影系統的性能先進性和系統穩定性，并進而影響圖像質量。西門子、飛利浦、北京萬東的數字血管造影系統即采用這種模式生產。
另一種生產方式是采用零部件全球采購模式生產，即X線球管、影像增強器/CCD系統、A/D轉換電路、或平板探測器等基本來自外購，從X線機到X線電視系統或X線平板探測器系統到數字圖像系統由多家不同的公司提供，設備供應商僅僅是品牌擁有者或影像鏈中某個零部件的生產商，其整機生產過程實質上就是組裝集成過程，類似于在電腦市場采購零部件組裝電腦，故業內常將此類設備戲稱為“兼容機”，GE、沈陽東軟等公司的數字血管造影系統基本采用的是第二種模式生產。
在數字血管造影系統領域，國內主要生產廠家如北京萬東、沈陽東軟等公司生產的數字血管造影系統，無論從性能還是質量，與上述主流品牌間的差異已變得越來越小，尤其是北京萬東公司最新推出的平板探測器全數字血管造影系統，其各項性能指標和整機性能穩定性與進口同類產品甚至與某個進口主流品牌產品比較，已沒有明顯差異。
行業中有種幽默的說法，較形象地比喻個品牌產品：美國人精于做市場，GE是商人開的公司，故GE生產最好賣的設備；德國人精于做產品，SIEMENS是工程師開的公司，故SIEMENS生產最好用的設備；荷蘭人愛美，PHILIPS是藝術家開的公司，故PHILIPS生產最漂亮的設備；日本人精于算計，東芝是會計開的公司，所以東芝生產全同步壽命產品；中國人善于仿制，萬東是天才開的公司，故生產質優價廉的產品。
2、影像鏈技術的先進性
數字血管造影系統的影像鏈由X線高壓發生器、X線球管、影像增強器/CCD-TV/模數轉換系統或平板探測器、圖像后處理系統等組成。
1)、X線高壓發生器：主要有工頻高壓發生器和高頻逆變高壓發生器，后者又可分為連續式高頻逆變高壓發生器和計算機控制的脈沖式高頻逆變高壓發生器。數字血管造影系統均采用高頻逆變高壓發生器，GE、Philips采用的是連續式高頻逆變高壓發生器，其脈沖采集時的脈沖波依靠X線球管內的柵極開關控制產生，該型高壓發生器結構相對簡單，技術難度相對較低，造價也相對低廉，但穩定向較高，故障率較低。Siemens、萬東采用的是計算機控制的脈沖式高頻逆變高壓發生器，其脈沖采集時的脈沖波直接由高壓發生器產生，該型高壓發生器制造工藝復雜，技術難度較高，造價也相對昂貴。
柵控技術是上個世紀由島津公司最先應用在DSA上，其目的是產生脈沖透視，原理是在球管的陰極和陽極之間附加一個柵極開關，以切斷或接通陰極打在陽極靶面的電子束來控制X線的產生。由于DSA系統具有較大的電流，柵極在高電子束作用下容易出現損害，而且由球管內的柵控開關的開合過程產生脈沖波，影響了射線垂直度和均整度，在脈沖透視時，其X線能量下降50%，而脈沖式高頻高壓發生器則完全避免了上述弊端，所以目前已經逐漸被一級發生器控制產生脈沖透視（脈沖式發生器技術）而取代。
高檔數字血管造影系統通常采用微機控制的大容量脈沖式高頻逆變式變壓器，功率達100KW，高壓范圍40—125kV，最大電流1000mA(100kV)，具備脈沖透視功能，以適于超短時間、低電壓、大電流連續脈沖式動態采集的需要。同時還能自動根據成像區衰減狀態調整kV、mA等參數，使X線管保持最佳負荷狀態，在安全輻射劑量范圍內獲取最佳圖像質量。以下為西門子、GE和飛利浦三家公司產品的比較：
X線發生器 西門子 飛利浦 GE
技術 計算機控制脈沖式 連續式 連續式
功 率 100 kW 100 kW 100KW
電 壓 范 圍 50 - 125 kV 40- 150 kV 60 - 125 kV
電 流 范 圍 100 - 1000 mA 20 - 1000 mA 1000 mA
最短曝光時間 0.5 ms 1ms 1ms
自 動 曝 光 控 制 或 需 測 試 曝 光 不需測試曝光,從 透視值的物體厚 度計算設定曝光 參數 需 要 測 試 曝 光 用 半 劑 量 作 測 試 曝 光
最短曝光時間短能夠提高X線質，從而減少軟射線的產生，最終提高圖像質量，這是整個高壓發生器的關鍵參數。在設備的實地考察時，應用手觸摸和用耳聽剛剛做完手術的機器高壓發生器是否發燙，電流聲可否聽到，以了解高壓發生器的性能優劣和機器本征噪聲大小，這將影響設備連續工作能力強弱和圖像信噪比高低。
2)、X線球管：各生產廠家均較注重新型球管的研發，從固定陽極到旋轉陽極、從單焦點到雙焦點再到三焦點、從滾珠軸承到滾針軸承再到液態金屬軸承再到電子束控技術、或采用飛焦點技術、或采用陽極接地技術、或采用航天散熱涂料等，均是為實現球管耐用、耐熱、提高射線束質量的目的。
目前在高檔數字血管造影系統，為滿足連續脈沖曝光，采集高品質動態影像的要求，應使用小焦點、高熱容量容量、高負荷、高轉速、散熱率高的x線管。目前最先進的是采用液態金屬軸承技術，避免了普通球管在高轉速情況下軸承的磨損，不僅散熱效率增加，更大大提高X線管承受連續負荷的能力，提高了球管的壽命，同時降低了設備的本征噪聲，提高圖像的信噪比。
球管焦點大小決定圖像的銳利度和對比度高低。為提高分辨率，焦點應盡可能小。目前，平板探測器數字血管造影系統配置x線管的旋轉陽極靶面角度8-12度，通常要求具備3個焦點，焦點大小范圍0．3—1．Omm。同時一些行之有效的綜合技術手段被用于提高影像質量并減少患者和檢查者的輻射劑量，如銅過濾技術：x線窗口處附加銅過濾片，對x線光譜進行過濾，減少低能量軟射線，提高輸出x線束的平均能量。銅過濾片有不同當量組合（0.1-0.9mm），由計算機自動根據攝影部位、體位，成像參數進行設置，以保證最佳X線過濾效果。
球管 西門子 飛利浦 GE
技 術 液 態 金 屬 軸 承 球 管 液 態 金 屬 軸 承 球 管 普通滾珠軸承球管
焦 點 0.3/0.6/1.0mm 0.4 /0.8mm 0.3/0.6/1.0mm
功 率 18/52/100KW 40/ 85 kW 40/100kW
陽 極 熱 容 量 2.0MHU 2.4MHU 3.7MHU
單位陽極熱容量單位時間散熱效率 405khu/min 337.5khu/min 189khu/min
附 加 濾 波 CAREFILTER: 0.1,0.2, 0.3, 0.6 和0.9 mm Cu; 根據體厚 自 動 設 定 Spectrabeam 0.2, 0.5, 1.0 mm 0.1, 0.2, 0.3mm Cu
從參數上看，GE的球管的陽極熱容量有很大提高，但其單位陽極熱容量單位時間散熱效率較低，由于采用普通拍片機球管技術導致球管重量和體積明顯增大，給機架旋轉帶來一定的麻煩。對于球管散熱效能高低，通過用手觸摸剛做完手術機器的球管是否發燙及發燙的程度即可清楚。
3)、影像增強器/CCD-TV系統：通常采用可變視野的I.I影像增強器，如11cm、17cm、23cm、32cm四種視野，根據造影時的需要靈活選用。空間分辨率與視野成反比，為了提高靈敏度和分辨力，輸入屏采用碘化銫等材料。
新研制的第四代金屬釉-MU鎳鐵合金軟磁貼膜影像增強器，使金屬釉技術與P43輸出磷光體相結合和使具有高分辨率、對比度和轉換系數的高DQE輸入屏與低量子噪聲相結合，把每個像素的光藕合到光電層，從而使影像具有良好的亮度分布；MU鎳鐵合金軟磁貼膜顯像管，提高了I.I的轉換效率，使幾何失真降至最低；精確的電子-光學透鏡系統，具有較窄的電子-光學參數分布，消除了因圖像偏差導致的失真，使整個顯示區內分辨率均勻一致；極窄的處理誤差確保了穩定的電子-光學數據和最低的輸出屏斑點及偽影干擾，從而獲得極佳的圖像質量，使圖像的最大空間分辨率≥62lp/cm，圖像扭變率≤0.02lp/cm。
以往采用的真空攝像管，由于其遲滯特性，在脈沖影像方式和隔行掃描制式下，每一場的影像信號幅值不等，采樣需等到信號幅值穩定后才能進行，因此使得曝光脈沖寬度增加，浪費了劑量，故趨于淘汰，現基本采用CCD攝像機和逐行掃描制式來改善上述情況。為了適應所用X線劑量范圍（即輸入光量變化范圍）大的特點，要求使用大孔徑CCD，防光焰陷阱設計。CCD攝像機有旋轉采集和全景采集兩種模式，全景采集CCD芯片是專為醫用目的設計的，大尺寸的芯片不僅實現了視野區圖像的全景采集，而且提供了高光子存儲量以提高圖像的電子信噪比。
如果購買平板探測器數字血管造影系統，則平板探測器將作為整個系統最關鍵的部分，對于系統的分辨率有重要意義。各大公司均采用性能穩定的碘化銫非晶硅平板探測器。西門子公司和PHILIPS公司采用相同的平板技術，即長方形的可旋轉平板。GE采用正方型平板。
其技術參數比較如下：
數字化平板探測器 西門子/飛利浦/萬東 GE
尺寸 30X38cm 31X31cm
加外罩尺寸 41X52cm 45X45cm
像素大小 154mm 200mm
空間分辨率 3.25 lp/mm 2.5 lp/mm
圖像矩陣 2480X1920 1536X1536
從平板加外罩尺寸來看，GE的平板探測器的大小幾乎和西門子/飛利利浦的相同，但西門子和飛利浦的平板能獲得近500萬像素圖像，GE的平板能獲得的圖像像素則為200多萬。對于臨床應用而言，GE的平板存在一定的不足。從空間分辨率來比較，GE的平板也處于劣勢。西門子/飛利浦的矩形探測器可旋轉至“風景畫”和“肖像畫”位置，不僅保證了足夠的對病人操作空間，同時具有完整的覆蓋范圍。
4)、計算機系統:在數字血管造影系統中，通過計算機進行圖像后處理，主要有對數變換處理，移動性偽影的校正處理，改善圖像S/N的時間過濾處理和自動參數分析功能。早期多采用SUN或SGI通用型服務器，機體龐大，主頻（時鐘頻率）較低，運算速度較慢，現在的數字血管造影系統則多采用醫學影像專用多芯片組并行處理服務器，機體纖小，主頻高，運算速度快，完全能滿足圖像大數據量實時處理的要求。
5)、高級臨床應用：高級的臨床應用包括實時旋轉DSA和實時下肢DSA跟蹤和三維血管重建。由于腦血管組織細密、復雜，單一角度的平面投照遠遠不能滿足臨床診斷的需求，這就要求要有多角度、多方位對血管成像進行采集和回放，以期達到對復雜腦血管疾病的及時準確的定性和定位。目前高端機常采用獨特的角度觸發技術，是在C型臂旋轉采集的過程中，運動到預設的角度時，自動觸發對蒙片和充盈片的采集，使得蒙片和充盈片在相同角度上配對，實時減影處理后得出在這一確定角度的血管影像。在得到實時旋轉DSA圖像的基礎上，配合先進的三維圖像工作站，可以得到清晰的血管三維圖像，無骨骼，軟組織干擾圖像，便于血管病變的多角度觀察。此外，快速的三維成像技術，包括支架成像，內窺鏡等技術已成功地為臨床所應用。
6)、機架系統：機架系統包括C臂和導管床，是整個系統重要的組成部分。C臂系統主要分為落地式和懸吊式。 要求具有旋轉角度大和旋轉速度快、C臂運動輕巧順暢的特點。
C臂 西門子 飛利浦 GE
技 術 懸吊式/落地式 懸吊式 落地式
C臂旋轉角度
（頭位） 懸吊式：
LAO/RAO: -180 度 / +150 度;
落地式
LAO/RAO: -130 度/ +130 度 LAO/RAO: -180 度 / +120 度;
LAO/RAO: -105 度 / +117 度;
C臂旋轉速度 25度 / 秒 25度 / 秒 15度 / 秒
C臂旋轉采集速度 60度 / 秒 55度 / 秒 30度 / 秒
在檢查床方面，除了床面的各種運動方式外，承重也是一個重要參數。特別是在搶救時的心肺復蘇的承重參數，要求具備至少80公斤的心肺復蘇的承重。
3、圖像質量的優異性
數字血管造影系統綜合性能的優劣，最終都必須由圖像質量來體現，衡量圖像質量的指標主要有：圖像像素矩陣、圖像空間分辨率、圖像扭變率、圖像灰階對比分辨率、圖像采集脈寬等。
一臺數字血管造影系統，必須滿足：圖像矩陣不小于1024×1024，圖像空間分辨率不低于60lp/cm，圖像扭變率不超過2%，圖像灰階對比分辨率不低于12bit，圖像采集最短脈寬不超過0.5ms。
4、人性關懷的周到性
介入影像學科必須基于X線成像設備，長期以來，臨床介入或放射科大夫本著救死扶傷的自我犧牲精神，救治了廣大的病患，而自身的健康會受到很大影響。由于X線對人體的損傷有積累效應，對病人而言是一次性的，完全可以恢復，但臨床醫生長時間的輻射累計恢復則較困難，而且介入手術時間長，臨床醫生難以完全避免X線的輻射。通常對X線輻射的防護常采用鉛屏風、鉛衣等被動防護技術，即不論球管發射多少射線，防護手段是固定和單一的，防護的效果有限。主動防護技術要求X線系統的設備廠家在保證圖象質量的前提下，對不需要射線的操作過程盡量不出射線，充分利用計算機的輔助和模擬技術來實現；在只需極低射線劑量的手術操作中提供盡可能低的X線輻射劑量，這就是所謂的”主動防護技術”，其中包括盡可能短的X線脈寬，自動的射線硬化技術等。射線的危害性不容置疑，所以周到的主動防護系統尤其重要。目前在數字血管造影系統配備主動防護技術主要有：
1）、自動曝光控制技術：將透視的參數自動轉換為相關的曝光參數，無需測試曝光即可自動控制曝光參數直接進行曝光采集，避免了測試曝光的額外輻射損傷。
2）、多檔可選的數字脈沖透視技術：目前高端機型可以提供多達9檔可選的數字脈沖透視技術（0.5,1,2,3,4,6,7.5,15,30P/s），在不需要高的影像實時性的采集序列（尤其在外周血管造影時），可以運用低脈沖透視（最低0.5個脈沖/秒），最大限度降低輻射劑量，保護醫患健康
3）、多種可選的銅濾片自動插入技術：高檔機型中均可以提供多達5種甚至5種以上可選的銅濾片（0.1,0.2,0.3,0.6,0.9mm）技術，使不同病人及不同部位均可獲得最佳成像效果。尤其專為小兒設計的0.9mm銅濾片，在保證影像質量的前提下，最大限度保護兒童。
4)、透視影像序列存儲技術：自動透視影像序列存儲，可存數百幅圖象，突破以往只有最后一幀透視圖像存儲的局限，用低劑量的透視來替代采集，獲得清晰的動態圖象，極大地減少了劑量。
5)、無射線束光器定位：采集時的束光器調整及定位，完全利用計算計模擬技術，無需透視或可見光即可實現高精度的定位。
5、使用的方便性
臨床的介入診斷和治療過程往往時間長，強度大。充分利用人機工效學的研究成果，力求最大限度地降低醫生操作機器的勞動強度，使醫生能夠盡量將注意力和精力集中于病人和手術過程，提高手術效率，縮短手術時間，減少X線的照射時間，從而保障醫生和患者的健康。好的大型C臂X線機所運用的先進技術包括：多工作位C型臂，雙向光盤存儲系統，觸摸屏和控制桿最優化組合等。
現各廠家均基于全球統一的多系統控制概念而建立起來了家族化通用操作系統。這種操作系統涵蓋了放射科和介入科的所有工作，包括病人數據登記，術前準備，采集程序選擇，圖像測量以及后處理，圖像打印和歸檔，報告的制作等等。所有影像產品包括CT，DSA，MRI，超聲都采用同一操作系統，便于在檢查室的血管造影監視器上即能觀看CT和MR的圖象，成為真正的網絡化的操作平臺。通過直接比較不同的圖象便于迅速作出治療方式的決定。對于醫生和病人來說，不僅節省時間，更保證手術的安全性。
現今，病人介入治療的最佳存儲手段是將圖象存在光盤上，但是大部分病人需要多次復查，隨放。病人介入治療存在光盤上圖象如能在導管室的主機監視器上回放，應用雙向傳輸技術，進行治療前后的對比分析。將大大方便決策。由于實現了床旁監視器的診斷級影像回放，介入手術醫生如果在手術中需要相關影像回放信息，不必往來于手術室和控制室之間觀察回放的參考影像，既安全也方便。
實現在導管床旁的所有操作，包括病人的登記編號，設置檢查程序，進行診斷及治療，圖象及功能的評估，圖象后處理，網絡圖象的搜索及調用，可以大大提高工作效益，爭取到病人搶救治療的寶貴時間，是所有導管室醫務工作者的愿望。隨著科學技術的發展進步，這將成為現實。如影像的床旁測量，評估及相關的影像后處理功能。常規病人介入手術只能在一次冠脈造影后，將病人影像傳輸到控制室的獨立工作站上進行測量和評估以及相關的后處理功能，實時性差，測量評估增加了病人額外的等待，耽誤了時機。能夠在導管床旁進行高精度的測量和評估，則可以完全解決上述問題。
6、創新技術：
創新技術對于用戶在相當長的時間內保持或提高學術地位具有重要意義。真正具有創新意義的當屬DynaCT技術。它通過平板探測器的旋轉采集功能，直接在血管造影系統上產生CT圖像，這是一個獨特的創新技術，并且對介入治療帶來革命性的變化，使得介入手術后可在本機上立即進行圖像掃描重建，觀察手術效果而不必將病人移往CT室進行判斷，不僅使用非常方便，而且大大降低了醫療風險，提高了介入手術的安全性和準確性。
綜上所述，對于綜合性醫院在選擇數字血管造影系統時，不但要是主流品牌且具有臨床應用范圍廣泛的特點，更要具有獨特和先進的功能，能為醫院的發展和學科的建設及議員的可持續發展帶來很大幫助。放射影像設備綜合性能的優劣，圖像質量是最簡單有效的標志。圖像質量的優劣，取決于影像鏈的優劣，值得特別注意的是，一臺設備的綜合性能高低，不是取決于該設備最優秀的那個部件及參數，而是由最差的那個部件及最低的那個參數決定，就好比一只木桶，能裝多少水，不是取決于最長的那塊木板，而是由最短的那塊木板決定，因此，選擇數字血管造影系統時，要特別關注系統中最差的部件和最低的參數是否能夠滿足需求。
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