[DSA] 数字血管造影系统-硬件篇

Good

根据一下资料整理和增删：
http://www.china-radiology.com/showtopic-6451.aspx  2008年的资料，但可以作为入门资料，讲述了很多基本概念
http://blog.csdn.net/okaimee/article/details/5656085  介绍球管的参数



基于增强器和CCD的DSA系统：
在计算机控制下，X线穿透人体后，经影像增强器增强，由摄像机将增强后的未注射对比剂图像和注射过对比剂的图像信息进行采集，并将前者与后者相减获得一张数字化图像，再经数/模转换器转换成减影图像。



基于平板的DSA系统：
由平板探测器取代了传统影像链的影像增强器/CCD-TV系统和A/D转换系统，减少了影像链模/数转换中产生的噪音和畸变，使X线信号得到最大限度的利用，既大幅度降低X线照射剂量，还能在任何背景下都获得清晰的血管造影和减影图像。



决定数字血管造影系统综合性能的关键参数

1、整机性能稳定性

整机性能稳定性如何取决于品牌和整机零部件来源的一致性。品牌价值是产品质量最简约的保证，品牌知名度和美誉度越高，品牌价值越高。而零部件来源的一致性和品牌的同一性，决定了影像链性能的稳定性和零部件间的相互适配性高低。在数字血管造影设备领域，目前主流品牌依然是欧美产品，以SIEMENS、PHILIPS、GE为主。

由于各企业经营理念的差异，目前主要有两种生产方式：

一种是从数字血管造影设备的设计到生产走的是一条系统整体设计的一体化道路，这种模式是：为获取优质图像，X线球管、影像增强器/CCD系统、A/D转换电路、或平板探测器等各零部件之间是预先经过统一规划和设计考虑的，对数字化X线图像信号获取的整个成像链各环节都有质量要求，对造影系列图像的获取有时间轴上的X线稳定性要求，对数字图像处理系统有快速、实时、高分辨率、图像灰阶多的要求，从X线机到X线电视系统或X线平板探测器系统到数字图像系统都由同一品牌公司提供，且所有这些决定了数字血管造影系统的性能先进性和系统稳定性，并进而影响图像质量。西门子、飞利浦、北京万东的数字血管造影系统即采用这种模式生产。

另一种生产方式是采用零部件全球采购模式生产，即X线球管、影像增强器/CCD系统、A/D转换电路、或平板探测器等基本来自外购，从X线机到X线电视系统或X线平板探测器系统到数字图像系统由多家不同的公司提供，设备供应商仅仅是品牌拥有者或影像链中某个零部件的生产商，其整机生产过程实质上就是组装集成过程，类似于在电脑市场采购零部件组装电脑，故业内常将此类设备戏称为“兼容机”，GE、沈阳东软等公司的数字血管造影系统基本采用的是第二种模式生产。

在数字血管造影系统领域，国内主要生产厂家如北京万东（现华润万东）、沈阳东软等公司。

行业中有种幽默的说法，较形象地比喻个品牌产品：美国人精于做市场，GE是商人开的公司，故GE生产最好卖的设备；德国人精于做产品，SIEMENS是工程师开的公司，故SIEMENS生产最好用的设备；荷兰人爱美，PHILIPS是艺术家开的公司，故PHILIPS生产最漂亮的设备；日本人精于算计，东芝是会计开的公司，所以东芝生产全同步寿命产品；中国人善于仿制，万东是天才开的公司，故生产质优价廉的产品。

2、影像链技术的先进性

数字血管造影系统的影像链由X线高压发生器、X线球管、影像增强器/CCD-TV/模数转换系统或平板探测器、图像后处理系统等组成。

1）X线高压发生器：


主要有工频高压发生器和高频逆变高压发生器，前者基本淘汰，但一些较落后的地区（非洲）还在使用，据说是因为这些地区供电不稳定导致高频逆变器不能正处工作；后者又可分为连续式高频逆变高压发生器和计算机控制的脉冲式高频逆变高压发生器。数字血管造影系统均采用高频逆变高压发生器，GE、Philips采用的是连续式高频逆变高压发生器，其脉冲采集时的脉冲波依靠X线球管内的栅极开关控制产生，该型高压发生器结构相对简单，技术难度相对较低，造价也相对低廉，但稳定向较高，故障率较低。Siemens、万东采用的是计算机控制的脉冲式高频逆变高压发生器，其脉冲采集时的脉冲波直接由高压发生器产生，该型高压发生器制造工艺复杂，技术难度较高，造价也相对昂贵。

栅控技术是上个世纪由岛津公司最先应用在DSA上，其目的是产生脉冲透视，原理是在球管的阴极和阳极之间附加一个栅极开关，以切断或接通阴极打在阳极靶面的电子束来控制X线的产生。由于DSA系统具有较大的电流，栅极在高电子束作用下容易出现损害，而且由球管内的栅控开关的开合过程产生脉冲波，影响了射线垂直度和均整度，在脉冲透视时，其X线能量下降50%，而脉冲式高频高压发生器则完全避免了上述弊端，所以目前已经逐渐被一级发生器控制产生脉冲透视（脉冲式发生器技术）而取代。

高档数字血管造影系统通常采用微机控制的大容量脉冲式高频逆变式变压器，功率达100KW，高压范围40—125kV，最大电流1000mA(100kV)，具备脉冲透视功能，以适于超短时间、低电压、大电流连续脉冲式动态采集的需要。同时还能自动根据成像区衰减状态调整kV、mA等参数，使X线管保持最佳负荷状态，在安全辐射剂量范围内获取最佳图像质量。以下为西门子、GE和飞利浦三家公司产品的比较：

  

X     线发生器	西门子	飞利浦	GE
技术	计算机控制脉冲式	连续式	连续式
功 率	100 kW	100 kW	100KW
电 压 范 围	50 - 125 kV	40- 150 kV	60 - 125 kV
电 流 范 围	100 - 1000 mA	20 - 1000 mA	1000 mA
最短曝光时间	0.5 ms	1ms	1ms
自 动 曝 光 控 制 或 需 测 试 曝 光	不需测试曝光,从 透视值的物体厚 度计算设定曝光 参数	需 要 测 试 曝 光	用 半 剂 量 作 测 试 曝 光

我目前在开发的则是来自imd公司的逆变器，一间意大利的公司。
逆变器的关键元器件是开关器件，有IGBT和MOSFET两种，前者较传统，一般工作与20MHz，后者可以做到更高的频率，波形输出更逼真，谐波含量更低，有利于球管。
最短曝光时间短能够提高X线质，从而减少软射线的产生，最终提高图像质量，这是整个高压发生器的关键参数。在设备的实地考察时，应用手触摸和用耳听刚刚做完手术的机器高压发生器是否发烫，电流声可否听到，以了解高压发生器的性能优劣和机器本征噪声大小，这将影响设备连续工作能力强弱和图像信噪比高低。

2、X线球管：

各生产厂家均较注重新型球管的研发，从固定阳极到旋转阳极、从单焦点到双焦点再到三焦点、从滚珠轴承到滚针轴承再到液态金属轴承再到电子束控技术、或采用飞焦点技术、或采用阳极接地技术、或采用航天散热涂料等，均是为实现球管耐用、耐热、提高射线束质量的目的。
    目前在高档数字血管造影系统，为满足连续脉冲曝光，采集高品质动态影像的要求，应使用小焦点、高热容量容量、高负荷、高转速、散热率高的x线管。目前最先进的是采用液态金属轴承技术，避免了普通球管在高转速情况下轴承的磨损，不仅散热效率增加，更大大提高X线管承受连续负荷的能力，提高了球管的寿命，同时降低了设备的本征噪声，提高图像的信噪比。

球管焦点大小决定图像的锐利度和对比度高低。为提高分辨率，焦点应尽可能小。目前，平板探测器数字血管造影系统配置x线管的旋转阳极靶面角度8-12度，通常要求具备3个焦点，焦点大小范围0．3—1．Omm。同时一些行之有效的综合技术手段被用于提高影像质量并减少患者和检查者的辐射剂量，如铜过滤技术：x线窗口处附加铜过滤片，对x线光谱进行过滤，减少低能量软射线，提高输出x线束的平均能量。铜过滤片有不同当量组合（0.1-0.9mm），由计算机自动根据摄影部位、体位，成像参数进行设置，以保证最佳X线过滤效果。

  

球管	西门子	飞利浦	GE
技 术	液 态 金 属 轴 承 球 管	液 态 金 属 轴 承 球 管	普通滚珠轴承球管
焦 点	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
阳 极 热 容 量	2.0MHU	2.4MHU	3.7MHU
单位阳极热容量单位时间散热效率	405khu/min	337.5khu/min	189khu/min
附 加 滤 波	CAREFILTER: 0.1,0.2, 0.3, 0.6      和0.9 mm Cu; 根据体厚 自 动 设 定	Spectrabeam 0.2, 0.5, 1.0 mm	0.1, 0.2, 0.3mm Cu

从参数上看，GE的球管的阳极热容量有很大提高，但其单位阳极热容量单位时间散热效率较低，由于采用普通拍片机球管技术导致球管重量和体积明显增大，给机架旋转带来一定的麻烦。对于球管散热效能高低，通过用手触摸刚做完手术机器的球管是否发烫及发烫的程度即可清楚。



球管的规格参数包括结构参数和电参数两种。前者指球管结构所决定的各种参数，如靶面的倾斜角度、有效焦点、外形尺寸、重量、管壁的滤过当量、阳极转速、工作温度和冷却形式等。电参数是指球管电性能的规格数据，如灯丝加热电压和电流、最大管电压、管电流、最长曝光时间、最大允许功率和阳极热容量等。

1、 kV，管电压，球管工作时的电压。最大管电压是指加于球管两极间的最高电压峰值。此值由管芯长度、形状、绝缘介质的种类以及管套的形式等决定。若超过最大管电压值，可导致管壁放电或击穿。管电压单位为千伏（KV）。

2、mA，管电流，是指在某一管电压和曝光时间内所允许的最大电流平均值，单位为毫安。在调整管电流时不得超过额定值，否则将导致焦点面过热而损坏或缩短灯丝寿命。
3、最长曝光时间是指在某一管电压和管电流条件下所允许的最长曝光时间，单位为秒。使用中若超过此值，由于热量的积累，将使焦点面过热而损坏。
4、 阳极热容量是指在阳极所能存储的最大热量。
 
    4.1 阳极热容量代表X射线管芯的承受能力，焦点（0.6~1.2）的热容量不需要太大，200khu，300khu，400khu等比较合理；焦点（0。3~0.8）的热容量必须要很大才行，最少也得600,700以上才比较合理
    4.2 球管热容量代表整个管套的承受能力，与散热曲线有关；靶面直径尺寸越大，散热效果越明显，基本上RAD 在3寸，带透视的4寸的
5、大焦点/小焦点
    电子在高压的作用下，在阳极靶面形成的聚焦轨迹称为物理焦点，简单地说就是阴极电子冲击在阳极靶上的面积称为焦点。焦点又分实际焦点和有效焦点，人们通常所说的焦点一般指的是有效焦点，即标称焦点。由于靶有一定的角度，所以标称焦点是物理焦点的在垂直于球管轴方向的投影，标称焦点要比物理焦点小得多。
    我们常说的0.6,1.2都只是标称值，不是实际长度，所以，单位不是mm。测量方法在IEC60336里有规定。焦点是长方形的，分长轴和短轴，单位是mm。标称0.6、1.2的焦点根据IEC60336：2005的规定，0.6焦点的最大宽度是0.90,最大长度是1.30，1.2焦点的最大宽度是1.70，最大长度是2.40.
    实践证实，在X线摄影时，焦点越小，分辨率越高。但是焦点越小，承受的功率也小；当需要使用大条件（即大功率）时，小焦点就不能满足了；这时主要矛盾是能不能拍，所以在损失一小部分分辨率的条件下，增大焦点，满足使用。
    一般分为：微焦点：小于0.4mm;    较小焦点:小于1mm,   较大焦点:大于1mm~4mm，微焦点通常作为心血管透视管较多.

6、球管特性曲线
      I.阳极特性曲线：　指在一定的灯丝加热电流下，管电压U 与管电流I的关系。
　　II灯丝发射特性曲线：是指在一定管电压下，管电流与灯丝加热电流的关系。意义“要调节管电压和管电流得到所需X线的质和量，必须对空间电荷进行补偿。补偿原则：当管电压高时适当减小灯丝加热电流，使管电流不随管电压的变化而变化。反之当管电压低时，适当增加灯丝加热电流。

每个球管的特性曲线都不一样（所以是未知的），而且是非线性的，所以在安装的时候，必须测试球管的特性曲线，使逆变器能够精确地控制球管的kV和mA。
下表是西门子DRH CT球管156CT-103MS的规格参数

  

参数类型	参数值
最大管电压	140KV
焦点尺寸	1.6 X 1.4 mm
0.1S最大功率	55KW
最大灯丝电流、电压	80A; 14.0V
持续使用时最大灯丝电流	40A
阳极靶面角度	0°
阳极靶面直径、材料	117mm，RTMC
阳极热容量	1300KJ
阳极最大散热速率	270KJ/min
整个过滤量	2.2mm A1/80KV
球管最大热容量	2200KJ
旋转阳极驱动电源频率	65HZ
冷却方式	油循环风冷却
重量	37KG
工作温度	+10 - +35℃

下表是TOSHIBA E7252X的规格参数

  

参数类型	参数值
最大管电压	150KV
焦点尺寸	1.2/0.6 mm
0.1S最大功率	75/27KW
最大灯丝电流、电压	5.5A；12.7~17.1V   5.2A；7.0~9.4V
持续使用时最大灯丝电流
阳极靶面角度	12°
阳极靶面直径、材料	74mm，表面为铹-钨的钼靶
阳极热容量	210 kJ (300 kHU)
阳极最大散热速率	475 W (667 HU/s)
整个过滤量
球管最大热容量	900 kJ (1250 kHU)
旋转阳极驱动电源频率	50/60/180Hz
冷却方式	自然冷却或强制风冷却
重量	18 kg
工作温度	10 ～ 40 ℃

3、影像增强器/CCD-TV系统：

通常采用可变视野的I.I影像增强器，如11cm、17cm、23cm、32cm四种视野，根据造影时的需要灵活选用。空间分辨率与视野成反比，为了提高灵敏度和分辨力，输入屏采用碘化铯等材料。
    新研制的第四代金属釉-MU镍铁合金软磁贴膜影像增强器，使金属釉技术与P43输出磷光体相结合和使具有高分辨率、对比度和转换系数的高DQE输入屏与低量子噪声相结合，把每个像素的光藕合到光电层，从而使影像具有良好的亮度分布；MU镍铁合金软磁贴膜显像管，提高了I.I的转换效率，使几何失真降至最低；精确的电子-光学透镜系统，具有较窄的电子-光学参数分布，消除了因图像偏差导致的失真，使整个显示区内分辨率均匀一致；极窄的处理误差确保了稳定的电子-光学数据和最低的输出屏斑点及伪影干扰，从而获得极佳的图像质量，使图像的最大空间分辨率≥ 62 lp/cm，图像扭变率≤0.02lp/cm。
    以往采用的真空摄像管，由于其迟滞特性，在脉冲影像方式和隔行扫描制式下，每一场的影像信号幅值不等，采样需等到信号幅值稳定后才能进行，因此使得曝光脉冲宽度增加，浪费了剂量，故趋于淘汰，现基本采用CCD摄像机和逐行扫描制式来改善上述情况。为了适应所用X线剂量范围（即输入光量变化范围）大的特点，要求使用大孔径CCD，防光焰陷阱设计。CCD摄像机有旋转采集和全景采集两种模式，全景采集 CCD 芯片是专为医用目的设计的，大尺寸的芯片不仅实现了视野区图像的全景采集，而且提供了高光子存储量以提高图像的电子信噪比。

如果购买平板探测器数字血管造影系统，则平板探测器将作为整个系统最关键的部分，对于系统的分辨率有重要意义。各大公司均采用性能稳定的碘化铯非晶硅平板探测器。西门子公司和PHILIPS公司采用相同的平板技术，即长方形的可旋转平板。GE采用正方型平板。其技术参数比较如下：

  

数字化平板探测器	西门子     /     飞利浦     /     万东	GE
尺寸	30X38cm	31X31cm
加外罩尺寸	41X52cm	45X45cm
像素大小	154mm	200mm
空间分辨率	3.25 lp/mm	2.5 lp/mm
图像矩阵	2480X1920	1536X1536

从平板加外罩尺寸来看，GE的平板探测器的大小几乎和西门子/飞利利浦的相同，但西门子和飞利浦的平板能获得近500万像素图像，GE的平板能获得的图像像素则为200多万。对于临床应用而言，GE的平板存在一定的不足。从空间分辨率来比较，GE的平板也处于劣势。西门子/飞利浦的矩形探测器可旋转至“风景画”和“肖像画”位置，不仅保证了足够的对病人操作空间，同时具有完整的覆盖范围。

4、计算机系统:

在数字血管造影系统中，通过计算机进行图像后处理，主要有对数变换处理，移动性伪影的校正处理，改善图像S/N的时间过滤处理和自动参数分析功能。早期多采用SUN或SGI通用型服务器，机体庞大，主频（时钟频率）较低，运算速度较慢，现在的数字血管造影系统则多采用医学影像专用多芯片组并行处理服务器，机体纤小，主频高，运算速度快，完全能满足图像大数据量实时处理的要求。
5、高级临床应用：

高级的临床应用包括实时旋转DSA和实时下肢DSA跟踪和三维血管重建。由于脑血管组织细密、复杂，单一角度的平面投照远远不能满足临床诊断的需求，这就要求要有多角度、多方位对血管成像进行采集和回放，以期达到对复杂脑血管疾病的及时准确的定性和定位。目前高端机常采用独特的角度触发技术，是在C型臂旋转采集的过程中，运动到预设的角度时，自动触发对蒙片和充盈片的采集，使得蒙片和充盈片在相同角度上配对，实时减影处理后得出在这一确定角度的血管影像。在得到实时旋转DSA图像的基础上，配合先进的三维图像工作站，可以得到清晰的血管三维图像，无骨骼，软组织干扰图像，便于血管病变的多角度观察。此外，快速的三维成像技术，包括支架成像，内窥镜等技术已成功地为临床所应用。

6、机架系统：

机架系统包括C臂和导管床，是整个系统重要的组成部分。C臂系统主要分为落地式和悬吊式。要求具有旋转角度大和旋转速度快、C臂运动轻巧顺畅的特点。

  

C     臂	西门子	飞利浦	GE
技 术	悬吊式/落地式	悬吊式	落地式
C     臂旋转角度                 （头位）	悬吊式：                 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     臂旋转速度	25     度 / 秒	25     度 / 秒	15     度 / 秒
C     臂旋转采集速度	60     度 / 秒	55     度 / 秒	30     度 / 秒

在检查床方面，除了床面的各种运动方式外，承重也是一个重要参数。特别是在抢救时的心肺复苏的承重参数，要求具备至少80公斤的心肺复苏的承重。



图像质量的优异性

数字血管造影系统综合性能的优劣，最终都必须由图像质量来体现，衡量图像质量的指标主要有：图像像素矩阵、图像空间分辨率、图像扭变率、图像灰阶对比分辨率、图像采集脉宽等。
    一台数字血管造影系统，必须满足：图像矩阵不小于1024×1024，图像空间分辨率不低于60 lp/cm，图像扭变率不超过2%，图像灰阶对比分辨率不低于12bit，图像采集最短脉宽不超过0.5ms。



人性关怀的周到性

主要出于放射剂量的考虑。由于X线对人体的损伤有积累效应，对病人而言是一次性的，完全可以恢复，但临床医生长时间的辐射累计恢复则较困难，而且介入手术时间长，临床医生难以完全避免X线的辐射。通常对X线辐射的防护常采用铅屏风、铅衣等被动防护技术，即不论球管发射多少射线，防护手段是固定和单一的，防护的效果有限。主动防护技术要求X线系统的设备厂家在保证图象质量的前提下，对不需要射线的操作过程尽量不出射线，充分利用计算机的辅助和模拟技术来实现；在只需极低射线剂量的手术操作中提供尽可能低的X线辐射剂量，这就是所谓的”主动防护技术”， 其中包括尽可能短的X线脉宽，自动的射线硬化技术等。射线的危害性不容置疑，所以周到的主动防护系统尤其重要。
目前在数字血管造影系统配备主动防护技术主要有：

1、自动曝光控制技术：将透视的参数自动转换为相关的曝光参数，无需测试曝光即可自动控制曝光参数直接进行曝光采集，避免了测试曝光的额外辐射损伤。
2、多档可选的数字脉冲透视技术：目前高端机型可以提供多达9档可选的数字脉冲透视技术（0.5,1,2,3,4,6,7.5,15,30P/s），在不需要高的影像实时性的采集序列（尤其在外周血管造影时），可以运用低脉冲透视（最低0.5个脉冲/秒），最大限度降低辐射剂量，保护医患健康。
3、多种可选的铜滤片自动插入技术：高档机型中均可以提供多达5种甚至5种以上可选的铜滤片（0.1,0.2,0.3,0.6,0.9mm）技术，使不同病人及不同部位均可获得最佳成像效果。尤其专为小儿设计的0.9mm铜滤片，在保证影像质量的前提下，最大限度保护儿童。
4、透视影像序列存储技术：自动透视影像序列存储，可存数百幅图象，突破以往只有最后一帧透视图像存储的局限，用低剂量的透视来替代采集，获得清晰的动态图象，极大地减少了剂量。
5、无射线束光器定位：采集时的束光器调整及定位，完全利用计算计模拟技术，无需透视或可见光即可实现高精度的定位。




来源：https://blog.csdn.net/Kelvin_Yan/article/details/42492831
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！