三維超聲成像的原理與應用

摘 要：由于傳統的B型超聲成像系統僅能提供人體斷面的二維圖像，臨床醫生是憑自己的經驗在腦子里重構出人體的三維結構，這就在一定程度上影響了臨床診斷的準確性與治療的有效性，特別是對一些畸形的或病變的臟器，二維圖像的診斷更顯得欠缺。

關鍵詞：三維超聲； 成像原理

中圖分類號：R445.1 獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2011）3-167-001

三維超聲是將連續不同平面的二維圖像進行計算機處理，得到一個重建的有立體感的圖形。而最新發展的真正的實時三維超聲，數據采集和顯示的速率與標準的二維超聲系統相接近，即每秒15～30幀，被稱作高速容積顯像。技術的進步又推動了臨床應用的發展，傳統的二維成像就顯得不能滿足要求了。

一、與傳統的二維超聲成像相比，三維超聲成像具有如下優勢

1.圖像顯示直觀

采集了人體結構的三維數據后，醫生可通過人——機交互方式實現圖像的放大、旋轉及剖切，從不同角度觀察臟器的切面或整體。這將極大地幫助醫生全面了解病情，提高疾病診斷的準確性。

2.精確測量結構參數

心室容積、心內膜面積等是心血管疾病診斷的重要依據。在獲得了臟器的三維結構信息后，這些參數的精確測量就有了可靠的依據。

3.準確定位病變組織

三維超聲成像可以向醫生提供腫瘤(尤其是腹部肝、腎等器官)在體內的空間位置及其三維形態，從而為進行體外超聲治療和超聲導向介入性治療手術提供依據。這將有利于避免在治療中損傷正常組織。

4.縮短數據采集時間

成功的三維超聲成像系統在很短時間里就可采集到足夠的數據，并存入計算機。醫生可以通過計算機存儲的圖像進行診斷，而不必要在病人身上反復用二維探頭掃查。甚至在病人離開醫院后，醫生們還可以在一起從不同的角度觀察病變的組織和臟器。

二、二維圖像的采集和三維圖像的重建

進行操作時必須先采集二維圖像，而后經數字化存儲，再重建為三維圖像，常用的方法有以下幾種：

1.平行掃查法

掃描平面沿Z軸方向垂直移動，將采集的多幅二維圖像數字化后予以存儲，建立立方體形數據庫，觀察三維圖像。平移式采集的數據是一組等間隔的相互平行的二維圖像?；谶@樣的數據，重構三維圖像是比較容易的。由于此法要求有較大的聲窗，圖像易于失真，目前已基本廢棄。

2.扇形掃查法

扇形掃查是將探頭固定放在病人的皮膚表面，然后讓探頭繞一條與探頭平行的軸擺動。結果是得到了一系列等角度(類似扇形的)分布的二維圖像。將采集的二維圖像做數字存儲，建立金字塔形數據庫，而后插補三維像素。這類系統的優勢是容易手持操作，掃描的視野比較大。而且，因為探頭擺動的有關參數是事先設計好的，因此三維圖像重構的速度也比較快。缺點是隨著探查深度的變化，空間分辨率變差。而且，三維數據在各個方向上分辨率的不一致性也給圖像重構帶來麻煩。

3.旋轉掃描法

旋轉式的掃描裝置是讓探頭圍繞與探頭垂直的軸旋轉180度，從而在一錐形掃描區內獲得一系列軸心不變、夾角均為2度，共90個方位（或夾角為3度，60個方位）的二維切面。最后得到類似圓錐型的三維數據。這類系統同樣存在空間分辨率不均勻的問題。此外，為了實現準確的三維重構，在數據采集過程中必需保持旋轉軸是不動的，否則會直接影響三維重建的精度。

4.自由臂掃描法

自由臂裝置又稱電磁位置感受器。電磁式位置傳感器由發射器、接收器及相應的電子裝置構成。發射器產生空間變化的電磁場，接收器內有3個正交的線圈用于感受所在位置的電磁場的強度。只要將接收器固定在超聲探頭上，就可以實現對探頭位置和方向的跟蹤。電磁式定位系統的缺點是對噪聲和誤差比較敏感。

5.實時動態三維成像法

利用二維陣列換能器，探頭發射聲束時，按相控陣方式沿Y軸進行方位轉向，形成二維圖像，后者再沿Z軸方向扇形移動進行立體仰角轉向，形成金字塔形數據庫。更理想的方法應該是保持超聲探頭完全不動，直接獲得三維體積的數據，掃描速度可提高60倍。

三、三維圖像的顯示

1.表面成像模式

采用此方法能夠建立組織結構的表面立體圖像。例如去除羊水內的低回聲，突出胎兒表面高回聲，濾過時還可以突出胎兒骨骼結構，顯示出高回聲結構的立體圖像；應用圖像自動回放的旋轉功能，可以從不同角度觀察立體圖像；另外還可以調節圖像的明亮度和對比度，使圖像立體感更強。

2.透明成像模式

將實質性的組織結構的所有三維回聲數據投射到一個平面上，選擇性地顯示出高回聲或低回聲結構的特征。采用這種模式，要求感興趣結構的回聲特征較周圍組織回聲高或低，例如骨骼、血管或囊性結構。

3.彩色模式

在掃查中采用多普勒方式，可以進行血管內彩色血流三維重建。三維多普勒能量圖不但能夠觀察組織結構內的血流情況，還可以提供一定容積內血細胞量的間接資料，三維血管成像方法能夠跟蹤血管走向，區分重疊血管。

三維成像的基本步驟：

1.確定成像范圍：在所掃查的三維容積資料中選定出感興趣區域(即容積箱)，容積箱外的結構將不會被成像。

2.選擇成像模式：根據感興趣區域的回聲特征合理選擇成像模式，以能夠突出病灶特征為原則。

3.圖像的濾過處理：表面成像時利用濾過功能對周圍低回聲結構進行適當的抑制，以突出表面結構特征。

4.旋轉三維圖像：進行圖像定位，使立體圖像處于最佳顯示角度，從而得出最佳三維圖像。

5.立體電影回放：采用電影回放的功能，可以從不同角度動態地觀察圖像，立體感更強。

6.電子刀的選擇：利用電子刀的功能，能夠去除與感興趣結構表面無關的立體回聲結構，以及不規則的周邊，使圖像從任何角度上看都更為清晰、重點突出。

上述基于象素的三維重構方法保存了三維數據采集中獲得的全部原始資料，醫生可以根據需要觀察任意切面上的圖像。而且，在進行適當的圖像分割后，可以獲得臟器的邊界，并進行體積測量。動態三維超聲心動圖像能夠讓醫生觀察到心臟跳動過程中的心臟空間位置、解剖結構、血液循環情況等等。這將使醫生能夠更方便地診斷先天性室間隔缺損、房室瓣關閉不全等疾病。

參考文獻：

［1］錢蘊秋主編．超聲診斷學，第四軍醫大學出版社

［2］周永昌，郭萬學主編.超聲醫學，科學技術文獻出版社