创新故事汇 | DSA技术的前世今生——百转千回创新路，风云际会DSA

创新是不断发现问题、上下求索的过程，其中滋味酸甜苦辣、苦辣酸甜。同创是团队同心协力，坚持努力是创新的根本。今天我们一起回忆一下DSA（Digital subtraction angiography）技术发明那段团结协作、共创辉煌的历史故事，寻找创新正能量。

1980年11月，历史性的时刻在北美放射年会上上演，威斯康星大学Mistretta小组和亚利桑纳大学Nadelman小组联合宣布，他们研发出了数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）。这项革命性的技术采用了减影和增强的图像处理技术，通过精确区分血管与骨骼、软组织等背景，生成出清晰的血管图像。DSA的问世，犹如一道光照亮了介入医学的舞台，它不仅极大地提高了血管疾病的诊断准确性，更为复杂的血管介入手术提供了前所未有的可视化支持，从而彻底改写了临床实践的格局。

查尔斯·米斯特塔博士（Charles Mistretta）在威斯康星大学麦迪逊分校完成了为期两年的高能物理学博士后研究后，发现当时物理系没有空缺的终身教职职位。徘徊时幸运的遇到了放射学系医学物理部主任约翰·卡梅伦（John Cameron）。卡梅伦教授深知查尔斯作为教师和研究人员卓越的学术声誉，因此很快开始探索招募他为同事的可能性。面试后，约翰为查尔斯提供了一个放射学和医学物理学助理教授的职位。千里马需要伯乐。从此，查尔斯和卡梅伦携手在放射学科领域开始了一段漫长而富有成效的探索性合作。

查尔斯之前未曾涉足医学或影像学领域，但幸运的是，他迅速与安德鲁·克雷米（Andrew B. Crummy）建立了深厚的联系。安德鲁快速引领查尔斯了解了当时放射学领域尚未得到满足的临床需求。医学的创新，医工结合是基石。安德鲁在导管血管造影方面有深刻的思考，对改善诊断血管造影的需求技术有着深刻洞察力。其中一个需求是能够存储和可视化显示导管或导丝在血管段位置上的路线图。因此，这一需求成为了他们共同探索的起点。短短几个月内，在当时研究生威尔·卡兰德（Willi Kalander，后来的螺旋CT发明者）的帮助下，查尔斯设计并组装了必要的硬件设备，并在血管造影室进行了测试。

后面他们合作发表了一篇论文，提出了一种价格低廉又有效果的存储系统解决方案。文中，他们指出：“尽管我们的方法并非完美无瑕，但这种血管内定位方法比将铅条粘贴在患者背部或使用骨性标志物更加精确。” 这一技术的突破意义非凡，它不仅能够精确地检查目标区域的细节同时也使患者和医护人员无需持续暴露于X射线的辐射下。这项技术是第一代路图应用的一个范例。

Radiology 1974; 110:369-372.

当时，人们对体内碘在甲状腺中的成像很感兴趣。为了实现这一目标，查尔斯和他的团队通过使用模拟存储管组件以及带有碘和铈滤光片的转轮，可以产生一个在碘K上下交替的能量光谱。碘过滤曝光生成一个不含碘的掩模图像；铈过滤曝光生成一个高对比度的碘图像。由于模拟存储管系统对成像链中各种放大参数的高敏感性，因此经常需要重复进行X射线曝光以获得适当平衡的图像。鉴于此，查尔斯决定建造一个 实时数字视频图像处理器（DVIP） ，以便在X射线曝光后，可以调整双能量平衡参数以消除组织或骨骼的影响，而不需要重复曝光。 创新就是不断前进的过程。

查尔斯怀揣着梦想和深思熟虑的计划，在医学院争取到3.6万美元研究资金，开始了他的研究探索之旅。时任放射学系主任的约翰·朱尔博士与威斯康星大学物理科学实验室主任的罗伯特·博尔彻教授商议了建造DVIP所需的费用，他们告知查尔斯，3.6万美元仅能覆盖建造DVIP的最低成本。在接下来的两年里，查尔斯、安德鲁以及查尔斯的第一位研究生鲍勃·克鲁格与设计工程师鲍勃·希克斯和电子技术师杰里·兰卡斯特紧密合作，构建并测试了这款新型图像处理器。期间，设备成本已超过20万美元。 复杂系统需要有组织的创新，医生、工程师、不同专业的科学家相互协作。同时充足的资金支撑才能推动研究走得更远。 最终，这款图像处理器在1976年成功交付，就在交付日期临近之际，他的邻居史蒂夫·赖德勒(Steve Riederer)和他的第二名研究生弗雷德·凯尔茨(Fred Kelcz)开始研发一种三光谱滤光轮数字成像系统，以实现DVIP对软组织和骨骼干扰的消除，并且仅保留碘信号。

在20世纪70年代末，Ducos de Lahitte M, Marc-Vergnes JP, Rascol A等研究人员发表了静脉注射减影胶片的阳性结果报道。（Intravenous angiography of the extracranial cerebral arteries. Radiology 1980; 137:705–711）随后，基尔儿童医院和亚利桑那大学的研究表明，通过静脉注射对比剂进行数字后处理可以得到减影血管造影图像。这些结果给查尔斯和安德鲁留下了深刻印象，他们开始把注意力转向利用DVIP在静脉血管造影研究中获取实时图像的可能性，特别是以30/s的帧率获得实时图像的效用。 所谓创新者就是不断挑战当前需求，永远在路上。

到1979年，大量学术论文描述了使用实时数字处理进行IV血管造影的早期令人印象深刻的结果。1980年，DVIP被搬到新的大学医院。两位新的神经放射学家，约瑟夫·萨克特(Joseph Sackett)和查尔斯·斯特罗瑟(Charles Strother)，加入了他们的团队。独行疾，众行远。由于血管造影室的空间限制以及对尽快开展新人体研究的迫切渴望，DVIP被安置在标准的X射线摄影和透视室旁边的房间里。查尔斯和他的学生负责操作处理器，而安迪、乔和查理则负责定位病人和准备注射造影剂。每当查尔斯准备好处理器后，他会通过一个特制的通讯设备发出“shoot”的指令，然后图像收集工作就开始了。尽管早期在这种不太理想的环境下进行实验，但这些研究验证了实时数字减影的有效性、优化注入协议和图像后处理方法。 创新之路是不断验证的过程，条件也是在不断进行的过程中优化。

在医学影像学的早期文献中，这项技术被称为计算机X射线透视或静脉注射视频造影。然而，正是克利夫兰诊所的汤姆·米尼（Tom Meany）提出了一个更为精准且富有远见的名字—— 数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，简称DSA） ，这个名字迅速获得了业界的广泛认可，并成为了该技术的标准称呼。

这些早期的实验结果不仅展示了DSA技术在医学诊断中的巨大潜力，也证明了它对整个医疗行业的潜在价值。在1979年，市场上还没有任何供应商向他们的客户提供DSA技术。但仅仅一年之后，到1980年底，已有4家供应商开始提供这项服务。而到了1981年，已有30家商业实体获得了这项技术的使用许可。这一系列迅速的发展，不仅反映了DSA技术本身的革命性和实用性，也体现了医学影像学领域对于创新技术的渴望和接纳。

虽然许多IV研究的诊断质量明显提高，但仍然有以下问题：(a) IV造影剂强度不够，边缘信号弱，(b)无法获得无血管重叠的投影(每次采集时使用的造影剂量限制了可以获得的视图数量)，以及(c)患者活动导致的图像模糊。面对这些尚无明确解决方案的问题，查尔斯和他的团队开始探索使用DSA动脉内注射造影剂。这样可以使用少量的造影剂，大大增加可以获得的视图数量，并且显著提升图像的质量。

对于所有密切关注DSA技术发展相关的人来说，那是一个充满激情和活力的时期。来自世界各地的医师、患者纷至沓来，讲座和研讨会此起彼伏，形成了一场知识的盛宴和思想的交流。在这个充满活力的环境中，患者们经常提出各种请求。有一次，尽管医生解释说查尔斯并非医生，但一位患者坚持对主管医生说， “我去罗马时，我要见教皇”。

总之，DSA技术在诞生之初，便彻底颠覆了传统的X线血管造影领域。自DSA发明以来，使其成为可能的概念和技术已被应用于临床实践中，极大地提升了医疗诊断和治疗的能力。DSA的高时间和3D空间解析能力与锥形束CT的高对比度和空间分辨率相结合，使当今的血管造影术在诊断性血管成像和血管内介入治疗方面具有无与伦比的地位。

DSA技术的发明创造是同心协力、不断探索和挑战新领域的过程。创新需要多学科合作、多机制融合，在远大目标指引下，坚持不懈，终会迎来阳光和掌声。

致谢：中科院深圳先进院李印生博士和中科院上海免疫与感染研究所张艳老师的指导。

参考文献：