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醫用診斷數位減影血管造影體模研究及遙控裝置設計

來源 : 中國醫療設備 2017第12期
update : 2018/02/27

引言
醫 用 診 斷 數 字 減 影 血 管 造 影(Digital Subtraction Angiography DSA)系統是 X 射線照射人體血管裡注射一定量造影劑的影像(等同血管內腔的影像),借助電子電腦,通過數位減影技術將骨骼 , 脂肪及軟組織的影像減去,從而得到純血管內腔影像(一般就說成是血管影像),通過觀測影像的幾何形狀、尺寸和密度的變化,以檢查血管病變或其他疾病所致的異常 , 或用於介入治療的裝置。

為了保證 DSA 系統的減影能力或減影后顯示血管影像的品質,國家及一些地方政府制定了如 JJG 1067-2011《醫用診斷數位減影血管造影(DSA)系統 X 射線輻射源》等檢定規程 [1-5],規程規定必須對 DSA系統性能進行監督檢定。規定對 DSA 系統性能中的低對比度分辨力(Low Contrast Resolution)、對比度線性(Contrast linearity)、類比血管最小分辨尺寸及減影性能等,需要用符合 JJG 1067-2011 檢定規程附錄 A 即《DSA 計量性能體模技術要求》要求的計量性能體模進行檢定。

目前,大陸多採用進口 DSA 性能體模,扈尚澤等 [6-7] 對其應用做了研究,在實際應用中遇到了很多困難,其中最突出的是:在檢測中,操作者必須處於 X 射線照射之下。因此,一些醫療單位或計量檢測單位即使購置了進口 DSA 系統性能體模,也難於開展工作。為了解決這個難題,趙政文等 [8]做了努力的工作,研製成了遙控裝置,用於推動進口 DSA體模。在控制操作人員的輻射防護和 DSA 系統的品質方面作者裴瑤等 [9-13] 做了大量工作及介紹,為本研究提供了參考。

首先研製了新的類比血管模組、低對比度分辨力模組、對比度線性模組和類比骨骼模組,這些都是必不可少的檢測用指標模組。這些模組的特點無論在尺寸還是指標的規定方面都符合大陸檢定規程。其次利用了研製的無線電遙控驅動裝置,使得檢測人員在做各種減影性能指標時,可在操作室隔室操作,避免受到 X 射線的照射,保證了實驗人員安全。有了這些重大的改進,使 DSA 系統的監督檢測成為實際可行,國家相關檢定規程 才能夠得到真正的執行,從而為 DSA 系統正確有效的運行提供了保證。遙控裝置的研製使用也為今後對於 DSA 系統的劑量優化做進一步的研究工作提供方便。

1 計量性能體模及遙控驅動裝置的研製
體模及其與之匹配的所有模組的材料和尺寸都是按照國家規程要求設計,這是有別於進口體模的重要特點。

1.1 100 mm厚的外掛程式插座模組

外掛程式插座模組由有機玻璃製成,是一個在靠上面有一個模組滑動槽的實體(圖 1),其尺寸為厚 100 mm× 200 mm× 200 mm 100 mm 的厚度由一塊帶滑動槽體的有機玻璃和一塊適當厚度的有機玻璃板疊加而成。滑動槽供放置和更換其他指標模組用。採用有機玻璃材料,是因為它對 X 射線的相互作用與人體軟組織較為接近。這樣,有利於 DSA 系統工作參數在正常運行範圍內調節。進口的這類體模裝置幾乎都是採用有機玻璃,但尺寸大,有點笨重。

1.2 類比動脈血管模組
類比動脈血管模組,見圖 2。在一塊長 310 mm× 152 mm× 20 mm 的有機玻璃板上製作了直徑分別為 42 1 mm 的凹槽,在凹槽裡填滿了添加有一定濃度的碘物質,以此模擬動脈血管。碘物質模擬造影劑。每根血管具有簡明確定的血管畸變,上面製作了相應血管 1/4 2/4 3/4 直徑的突出和凹進,以此模擬血管腫瘤和堵塞(狹窄)。1/4 2/4 3/4 直徑的凹進模擬血管堵塞了 25% 50% 75%的情況。該模組有一半是空白,用於減影試驗時做蒙片。

1 100 mm厚的外掛程式插座模組


2 模擬動脈血管

這種類比動脈血管模組上有 3 組血管,每血管裡的碘物質含量不一樣,分別是 300 150 15 mg/cm3

1.3 低對比度分辨力模塊插件
低對比度類比血管模組,見圖 3。由一塊長 310 mm× 152 mm× 20 mm 的有機玻璃板製作,在有機玻璃板上製作有 3 組直線類比血管,每組有 4 根,它們的直徑分別為 4 2 1 0.5 mm 3 組血管的碘含量分別為 10 5 2.5 mg/cm3。同前,碘物質模擬造影劑。


1.4
對比度線性模組
對比度線性模組,見圖 4。由一塊長 310 mm× 152 mm× 厚 20 mm 的有機玻璃板製作,在有機玻璃板上有 6 個衰減圓形。每個衰減圓形都由不同碘當量物質做成,由這些不同厚度的碘物質造成不同的影像對比度。其對比度設計成 0.5%1.0%2.0%4.0%10.0% 20.0% 7 個等級。

4 對比度線性圓


1.5 類比骨骼模組外掛程式
類比骨骼模組外掛程式,見圖 5。設計了 3 種厚薄不同的仿骨材料,將其嵌在一塊長 192 mm× 192 mm× 20 mm的有機玻璃板上。仿骨材料由含鈣物質製成,其最厚的表示骨密度高,中厚的表示骨密度中等,厚度低的為骨密度低,依高中低次第排列。

5 類比骨骼模組

1.6 無線電遙控驅動裝置
無線電遙控驅動裝置包括 5 個部分(圖 6):主傳動軸、同步電機、遙控驅動電路、有機玻璃架子和架子掛板。在一側安裝了同步減速電機,帶動主轉動軸轉動,從而靠摩擦力帶動壓在上面的血管模組作前進後退作直線運動。同步減速電機由可接收無線電信號的驅動電路控制,正反向轉動和停止信號由遙控板發射。驅動電路和遙控板之間的收發距離大於 50 m,遠遠大於隔離室到 DSA 系統 X 線管的距離。

6 無線電遙控驅動裝置

注: 1.主傳動軸; 2.同步電機; 3.遙控驅動電路; 4.有機玻璃架子; 5.架子掛板。

遙控板(圖上為標出)可發射正反向轉動和停止重定信號。可以在隔離操作室使用遙控板,隔牆控制血管模組外掛程式的移動,避免了人工作業受到射線的輻照。移動架尺寸長 460 mm× 320 mm× 130 mm。靠架子掛板掛在體模上邊。這種採用架子掛板的辦法,不但適合按照國家規程 JJG 1067-2011 要求尺寸設計的所有體模,也適合其他尺寸相當的體模。

2 體模裝置試驗整體圖
將圖 3 類比骨骼模組外掛程式放置在 100 mm 厚的外掛程式插座模組上,再將圖 2 類比血管模組外掛程式插入圖 1的滑動槽內。

3 件組合在一起,就類比了人體基本的軟組織 - 血管 - 骨骼組成的情況。最後安裝上遙控驅動裝置,見圖 8。類比血管模組外掛程式在無線電遙控驅動裝置的驅動下,按程式以傳動速度 28 mm/s 左右運動,傳動速度和移動距離可選。

8 減影掃描試驗圖

注: 1.球管; 2.影像探測器; 3.體模; 4.DSA系統床。

操作時,有血管的一頭先從主傳動棍插入,同時操作遙控板傳動 ;先掃描有空白的一頭,此頭做蒙片,接著做血管造影。

3 試驗步驟
將新製作的體模裝置放在工作正常的 DSA 系統的掃描床上(圖 8),影像探測器表面與體模裝置距離 30 cm,焦像距(SID 100 cm。試驗步驟為 :① 對 DSA 系統參數進行常規設置 ;② 血管模組運動速度設定為 28 mm/s ;③ 在DSA 系統機房的操作室,用無線遙控器操作血管模組運動進行驅動。

4
試驗結果

1)減影影像採集。 DSA 系統採集類比血管的減影影像,減除了軟組織(有機玻璃)和類比骨骼的影像後,清楚地顯示出了類比動脈血管的影像。

2)動脈血管尺寸。可以清楚顯示出模體中直徑為2 mm 的動脈類比血管,同時分辨出直徑 2 mm 的模擬血管上 1/2 大小的模擬血管凹凸畸變。

3)低對比度分辨力。能夠顯出碘濃度為 5.0 mg/cm3,直徑 2.0 mm 的模擬血管。

4)對比度線性。用光密度計檢測 6 個衰減圓片,光密度與設計的對比度的線性度為 0.96,好於國家檢定規程的要求(要求 0.9)並能夠看到線性對比度為 1% 的衰減圓的影像。

5)遙控驅動裝置。驅動可靠,操作簡易 ;驅動速度設置合適,能夠清楚的顯示減影影像,無拖尾現象。

6)避免 X 射線。在操作室裡,無線遙控信號可以透過防護水泥牆,試驗人員不需要在開啟 X 射線機的情況下進機房移動模組。在操作室裡,避免因此而帶來的附加 X射線輻射。

5 討論
5.1 動脈血管的減影

在試驗動脈血管的減影時,要將類比骨骼模組蓋在動脈血管模組上,要求得到的影像只顯示動脈血管的影像。減影後的動脈血管影像(截圖),見圖 7。可以清楚的看出,得到的血管減影影像是清晰的,可以看到碘濃度為 150 mg/cm3,直徑為 2 mm 的血管及其上的該血管直徑 1/2 大小的模擬腫瘤體或狹窄,這是 DSA 系統重要的性能要求之一。如果DSA 系統的工作不正常,或處於故障狀態,則看不清楚這些影像。從圖 7 可以看出再細小的血管,例如 1 mm 的動脈血管及其上的腫瘤模擬體就看不清楚了。

7 減影后的動脈血管影像(截圖)

5.2 低對比度分辨力
這是 DSA 系統重要的性能指標之一。低對比度分辨力血管影像(截圖),見圖 8,影像截圖的左邊是低對比度直線類比血管的影像。可以看到在正常的 DSA 系統機器上能夠分辨出碘濃度為 5 mg/cm3,直徑為 2 mm 的直線血管。有故障的機器是分辨不出來的。也就是說用這種體模可以試驗機器是否有故障或機器性能是否合格。

8 低對比度分辨力血管影像(截圖)

5.3 對比度線性
對比度線性圓片的厚度是按 0.5% 1.0% 2.0% 4.0%10.0% 20.0%7 個等級製作。將 7 種厚度與相應的透光度(用光度計測量)作相關性計算,得到的相關性係數(r)應達到國家規程要求,即 r 0.9。在試驗的正常的機器上本試驗的結果為 0.96。說明這個性能指標的設計製作是達到規程要求的。反過來,說明用這個體模可以檢驗 DSA 系統的對比度線性性能指標是否合格。

5.4 遙控驅動裝置

該遙控裝置的特點 :一是無線遙控,可以在已有的DSA 控制室內控制放在裝置上的體模組進退移動,不需要像一些進口產品那樣進入 X 機房手工移動體模組 ;二是此驅動裝置與整個體模主體分離,只是通過架子掛版掛在主體體模上,對其沒有損傷 ;三是操作方便。在做血管影像減影時,體模組是要暴露在 X 射線下移動,用遙控代替人工,可以避免操作人員受到 X 射線的輻射。

DSA 系統是比較普及的血管疾病檢查及其治療監測的大型設備,是血管檢查方法的金標準。但是他的缺點是患者和醫生(手術醫生)都要接受一定量的 X 射線照射劑量。如何提高影像品質和使用優化劑量,很多學者 [9-16] 做了大量研究,本體模及遙控自動驅動裝置不單用於 DSA 系統性能的檢驗檢測,就是對於優化劑量的研究也大有用處。

6 結語

新研製的體模及應用遙控裝置有如下特點 :① 滿足按照國家規程 JJG 1067-2011 對體模設計的要求 ;② 遙控裝置通過架子掛板適用於所有按照國家規程 JJG 1067-2011 設計的體模,對體模不做改動,掛在上面即可 ;③ 無線電遙控裝置的應用,實現了隔室操作,完全避免了 X 射線對操作人員的輻照。

該體模仍然有待改進的地方,如果能把各個指標模組都做在一塊有機玻璃板上,更顯得簡潔。但是,在做每一個性能指標時,要改變 DSA 系統參數。另外遙控驅動裝置顯得有複雜,還可改進,設計得精簡一點。

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