用于醫(yī)學(xué)超聲三維成像的新技術(shù)

摘 要：三維超聲成像是利用超聲檢測原理無損地顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維體積成像技術(shù)，具有操作安全、使用靈活、形象直觀、信息量大以及應(yīng)用前景廣闊等優(yōu)點，近年來得到較快發(fā)展。從三維數(shù)據(jù)的采集技術(shù)、三維成像的圖象處理技術(shù)、三維圖像顯示技術(shù)、專用三維成像處理系統(tǒng)以及其它創(chuàng)新方面分析了三維超聲成像的新技術(shù)及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：超聲；三維；掃描成像

中圖分類號：R445.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-2197(2007)10-020-04

1 前言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，三維成像已成為醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的重點發(fā)展方向。醫(yī)學(xué)成像由斷層成像發(fā)展到計算機(jī)斷層成像，再發(fā)展到三維體積成像，是用來無損地顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)或功能的三個發(fā)展階段，是醫(yī)學(xué)成像發(fā)展的總趨勢。對于X射線、MRI、ECT等成像技術(shù)，計算機(jī)斷層成像這一發(fā)展階段是很突出的。超聲計算機(jī)斷層成像雖然也有一些研究報道，但效果不太突出。其原因在于，超聲在體內(nèi)傳播過程中需要考慮的因素比較多：反射、折射、繞射、吸收、衰減、渡越時間等。對三維超聲成像而言，雖然也存在類似問題，但由于三維成像建立在圖形幾何學(xué)上考慮的因素比建立在波動物理過程上考慮的因素更多，所以應(yīng)用前景較好。這是一個值得研究人員重視的前沿方向。

2 應(yīng)用前景

2.1 提高診斷水平

將二維數(shù)據(jù)的集合綜合成三維結(jié)構(gòu)后，可以人為地作任意剖面，以便人機(jī)交互地切割曝露任意內(nèi)部切面，從而顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。也可以描繪出臟器的三維自然分界面，只要在一組對齊了的平行掃查中辨識邊界，再通過計算機(jī)表現(xiàn)成三維曲面即可。此外，嵌套的顯示技術(shù)，既可以在正常位置上顯示組織的結(jié)構(gòu)層次，又可以人為地分開顯示，分析某一部分的細(xì)節(jié)。以上各項功能都可以從任意角度作有深度感的顯示。這些都有利于提高診斷水平。

例如，它對于冠狀動脈心臟病、左心室心肌功能問題等是很重要的預(yù)后因素，也是許多心臟外科的指標(biāo)之一。由于心腔的大小和形狀直接反映此功能，所以左心室立體形狀隨時間的變化可以較好地評價心肌功能。

又例如，先天性心臟綜合征是常規(guī)二維診斷較容易出錯的癥狀，為了診斷正確，醫(yī)生往往需要從不同角度綜合觀察。這一問題通過三維成像得到了解決，因為根據(jù)三維數(shù)據(jù)可以從任意角度作任意剖面。

總之，三維成像可以提高檢測、定征、損傷量化及功能評價等診斷的質(zhì)量。

2.2 輔助治療

只靠二維成像對病灶定位，多少帶有主觀性，通過三維成像則可以更客觀地顯示整體結(jié)構(gòu)，因此定位更準(zhǔn)確。它還可“切出”任意剖面，或“剝出”任意局部區(qū)域供進(jìn)一步分析判斷。例如，它可以表現(xiàn)出外科手術(shù)刀下可能出現(xiàn)的剖面，便于外科醫(yī)生規(guī)劃自己的開刀程序。它還有助于提高測量準(zhǔn)確度。

總之，可以利用三維成像作為計算機(jī)輔助的治療方案規(guī)劃。

2.3 方便學(xué)術(shù)交流

利用三維成像技術(shù)容易統(tǒng)一數(shù)據(jù)，以便在同行之間進(jìn)行交流，而且也為制作多媒體課件和更直觀、更形象的教學(xué)提供便利。

目前，超聲三維成像在心臟學(xué)(特別是左心室)研究中開展得最多，在婦科、眼科、腹部疾病檢查、血栓分類、血管成像等方面也有學(xué)術(shù)交流和研究報道。

3 三維超聲成像新技術(shù)

3.1 三維數(shù)據(jù)的采集技術(shù)

進(jìn)行三維成像首先要取得足夠的三維數(shù)據(jù)。在x射線、MRI的三維成像技術(shù)中都是采用多層平行切片方法(如同切面包片一樣)取得一組二維數(shù)據(jù)，再通過插補(bǔ)構(gòu)成三維數(shù)據(jù)。由于肋骨和肺葉的影響，這一方式在超聲心臟成像中不能采用，必須讓探頭通過適當(dāng)“窗口”采集所需三維數(shù)據(jù)。目前常采用的窗口有：

(1)胸骨旁(parasternal，如圖1所示)。此時傳感器的兩個掃查方向是長軸和短軸。

(2)心尖部位(apical，如圖1所示)。此時傳感器的掃查方向是長軸和“四室”。

圖1 窗口及掃查方向

從窗口采集三維數(shù)據(jù)可以采用旋轉(zhuǎn)平面法，其具體步驟如圖2所示(以心尖部位為例)。(a)表示用步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)探頭的掃查平面。在180°范圍內(nèi)每1.8°一幅，共取得100幅平面數(shù)據(jù)，每幅為512X512X8比特。(b)表示由這些數(shù)據(jù)存貯組成的數(shù)據(jù)組。然后取中心256X256子區(qū)域，并對每4個近鄰的2X2象素取一均值，每幅得128X128X8比特數(shù)據(jù)。(c)表示把不同θ值平面中同一深度n的數(shù)據(jù)合在一幅圖上，代表深度n處的‘切片’。與常規(guī)平行切片法不同之處是：在這一切片上的數(shù)據(jù)不是均勻分布的，愈接近旋轉(zhuǎn)軸中心處數(shù)據(jù)愈密，愈接近外周數(shù)據(jù)愈稀，因此需要按近鄰法進(jìn)行插值(d)。最后把這些切片再堆疊起來便構(gòu)成三維圖像(e)。

采集三維數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是定位必須準(zhǔn)確，因此探頭要用特殊支架支撐和旋轉(zhuǎn)。為了避免引起體位變化，每次旋轉(zhuǎn)探頭都要在呼氣時期的終了(此時肺充氣量最少)。另外，各幅二維圖像應(yīng)對應(yīng)于同一心電時相。

(3)食道探頭。經(jīng)由食道引入探頭可以避免肋骨和肺葉的影響，由于探頭更接近心臟，因此可以提高發(fā)射脈沖的頻率，取得較高分辨力。這種方法的缺點是病人比較痛苦。另外，由于食道彎曲和探頭傾斜，探頭的位置和角度難以準(zhǔn)確定位。目前普遍采用的探頭是安裝在胃鏡頂端的兩組互相垂直的相控陣探頭。一組探查面為垂直方向，取得一個固定的長軸切面。另一組探查面為水平方向，取得一組(例如八層)短軸切面。兩組傳感器的工作頻率不同，因此可以同時工作，互不干擾。食道探頭采集的原始數(shù)據(jù)其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)平面法

圖3 食道探頭的三維數(shù)據(jù)

德國西門子公司近來生產(chǎn)了一種稱為“經(jīng)食道超聲CT”的新產(chǎn)品，它實際并不屬于計算機(jī)斷層成像(Computerized Tomograph，CT)，而只是一種采用食道探頭的三維超聲成像系統(tǒng)，如圖4所示。這是一個串行工作的三維掃查系統(tǒng)。探頭停留在某一位置下，在一個心電R—R間期內(nèi)連續(xù)采集30幅圖像存入存貯器，然后步進(jìn)電機(jī)按事先預(yù)定的步距將換能器向上推移到下一個掃查平面，進(jìn)行下一個30幅圖像的采集。這樣一拍一拍地進(jìn)行，直到換能器移到管道頂端，取得四維(三維空間，一維時間)的圖像數(shù)據(jù)陣列。假定R—R間隔是600ms，節(jié)拍無效率為50%，那么完成100個平面的數(shù)據(jù)采集需時約為2分鐘。

圖4 經(jīng)食道三維數(shù)據(jù)的采集

3.2 三維成像的圖像處理技術(shù)

取得三維數(shù)據(jù)后進(jìn)一步問題便是三維重建和三維立體顯示。在這些方面，超聲三維成像的技術(shù)原理與一般三維成像并無顯著區(qū)別。大致說來，其中包括如下一些圖形技術(shù)：

(1)插值：把均勻或不均分布的二維數(shù)據(jù)插補(bǔ)成“連續(xù)”的三維數(shù)據(jù)。方法多是取鄰近體素值的一項均值。

(2)多平面重投影：從三維數(shù)據(jù)中沿任意傾斜角度提取單切片二維視圖。

(3)偽彩色：這是一種圖像增強(qiáng)操作，用來從單一圖像中辨別多個物體。

(4)抗混迭：通過在最終圖像中消除高頻偽像(混迭)，來保持重建圖像的逼真度。

(5)自適應(yīng)直方圖均衡：用來增加圖像的對比度，特別是放大特征邊界的對比度，達(dá)到增強(qiáng)圖像。

(6)分割：把一個或多個感興趣的物體與空間其余部分分割開。

(7)邊界檢測：把待研究物體的邊界直接明確出來。由于超聲圖象的灰階層次不很分明，自動檢測邊界有時比較困難(盡管已提出了一些檢測算法)，因此這種情況下往往通過人為干預(yù)設(shè)定邊界。

(8)數(shù)字解剖：將外覆物質(zhì)切除，使被掩蓋于其下的部分顯示出來，與此同時被切除的覆蓋物層次仍表現(xiàn)出來。例如，如果使用者要觀察碎裂的顱骨，此操作能在顯示碎裂部分顱骨的同時，將環(huán)繞碎裂顱骨周圍的頭皮及頭表面也顯示出來。

3.3 三維圖像顯示技術(shù)

為了在二維的顯示器平面上取得有立體感(深度感)的三維圖像，可以采用以下措施：

(1)三維透視(3D rendering)：有兩種主要方法來顯示三維圖像。

①表面元法。此法用一些多邊形作為基元，把它們集合起來表示隔離的物體。完成這一步需要較長的預(yù)處理時間，要結(jié)合插值、表面及輪廓檢測、分割等步驟把物體用多邊形的集合表示并編碼。而且由于表示方法不是唯一的，所以還要經(jīng)優(yōu)化選擇。但是，一旦預(yù)處理完成后，數(shù)據(jù)量便被明顯壓縮，因此進(jìn)一步的圖形處理(如改變觀察角度、切割任意剖面等)其速度可以大為加快。由于這種方法可以把解剖結(jié)構(gòu)清晰地表現(xiàn)出來，用它來準(zhǔn)確估計物體體積、運動(例如心室體積、形狀，室壁運動)等有其優(yōu)點，缺點則是當(dāng)選擇另一個物體時，要對原始三維數(shù)據(jù)重新處理才能提取新的表面元集合，這就需要較長時間。為了縮短預(yù)處理時間，有時可以引入有經(jīng)驗人員的人機(jī)干預(yù)方式。

②體積元法。把物體看成基本體積元的堆砌，直接對原始三維數(shù)據(jù)作處理。由于待處理的數(shù)據(jù)量較大，所以圖形處理顯示需時較長，但可以免除改變物體時所需要的預(yù)處理時間。具體算法可以采用八角樹法(Oct-Trees)或射線追查法(Ray Tracing)，它需要與下面介紹的明暗法、旋轉(zhuǎn)、隱面去除等結(jié)合起來才能產(chǎn)生立體感。這種方法保存了軟組織各點散射回波值，表現(xiàn)方式與醫(yī)生熟悉的二維圖像相似，含有豐富的組織紋理信息。

(2)明暗法：通過給圖像以深度幻覺來增強(qiáng)它的三維表現(xiàn)。例如，可以采用灰度梯度明暗法，或根據(jù)所要顯示的表面到投影面的距離，按反比關(guān)系賦與像素灰階。

(3)旋轉(zhuǎn)：讓使用者能從任意位置觀察物體，通常是通過對坐標(biāo)施加旋轉(zhuǎn)矩陣來達(dá)到目的。如果要對任意點作旋轉(zhuǎn)，步驟就更復(fù)雜些，要包括移位、旋轉(zhuǎn)、再移位三個步驟。

(4)隱面消除：去除被可見部分遮掩的部分圖像。醫(yī)學(xué)成像中常用的方法是深度整理(Depth Sort)和Z緩沖器(Z-Buffer)算法。另有兩種算法是“由后向前”和“由前向后”算法。所有這些算法的共同點是：寫入到輸出緩沖器中的最后元素是最接近觀察者的元素。四種方法的區(qū)別只是決定此最后元素的步驟不同。

3.4 專用三維成像處理系統(tǒng)

醫(yī)學(xué)三維成像的突出特點是：待處理數(shù)據(jù)量大，而且還要求實時處理；需要長期保存數(shù)據(jù)；處理任務(wù)復(fù)雜以及需要實時管理及顯示所得處理結(jié)果。這就需要采用多處理器結(jié)構(gòu)及并行處理算法，以提高圖像的生成速率，因而要求專用的醫(yī)學(xué)三維成像系統(tǒng)或三維專用處理器。大致可分三類：即在通用計算機(jī)上配合專用軟件；采用為三維醫(yī)學(xué)成像專用的圖形加速器；在專用的計算機(jī)系統(tǒng)上用硬件實現(xiàn)算法。

3.5 其它創(chuàng)新技術(shù)

目前，有些研究者正在探尋另一種三維成像新途徑：將平面相控原理發(fā)展成二維相控系統(tǒng)，并同時取得整個金字塔形立體角內(nèi)的三維數(shù)據(jù)，如圖5所示。這樣，不必移動探頭就可以作在線三維顯示，也可以顯示各種切面。圖5是三維成像系統(tǒng)中，二維相控傳感器的金字塔形掃查格式的示意圖(C型掃查方式)。(a)是包括并行處理系統(tǒng)的處理框圖。

圖5 二維相控系統(tǒng)

4 發(fā)展趨勢

目前，三維超聲成像的研究發(fā)展方向大致有以下內(nèi)容：

(1)改進(jìn)超聲換能器(探頭)，采用寬帶換能器，多頻率發(fā)射；采用高密度換能器(128陣元以上)。

(2)采用多段發(fā)射聚焦、多段接收動態(tài)聚焦、可變孔徑、同步動態(tài)聚焦、動態(tài)波束控制、高速采樣、并行接收、雙密度掃描、自適應(yīng)掃描。

(3)提高三維超聲成像的空間分辨力(ΔX、ΔY、ΔZ)；通過解卷提高三維分辨力，消除圖像的斑點、噪聲，提高成像質(zhì)量。

(4)發(fā)展和提高圖像處理功能，豐富測量功能，多參數(shù)精確測量(距離、面積、周長、容積、斜率、角度、M型速度、時間、心率等)，豐富專科測量軟件(心臟、腹部、婦產(chǎn)科、泌尿科、眼科、小器官及介入超聲和腔內(nèi)探查)。

由于三維超聲成像具有使用安全、操作靈活、形象直觀、信息量大等特點，能夠提高檢測、定征、損傷量化及功能評價等診斷的質(zhì)量，因此，可以用來制作計算機(jī)輔助的治療方案規(guī)劃，為制作多媒體課件和更直觀、更形象的教學(xué)提供便利，具有很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

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The new technology trend of 3D ultrasonic imaging

Huang Zhiyuan，Huang Zhonghao

Abstract：3D ultrasonic imaging is an imaging technology that based on the theory of ultrasonic detecting to display the internal construction of human body without any traumatic operations，thanks to the advantages like safety operation，flexibility，intuitionist image，more data included and bright future on the applications，it has been well developed recently. The writer made an analysis on the new technology and developing trend of 3D ultrasonic imaging from the sampling of 3D data，3D image processing technology，3D image display technology，professional 3D image processing system and some other aspects.

Key words：Ultrasoud；Three-dimensional；Imaging