軟硬件結(jié)合實現(xiàn)成熟的3D/4D聲影像

摘要：盡管高效的三維和四維（3D/4D）超聲影像技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用多年，但是仍未在常規(guī)臨床實踐中普及。這一現(xiàn)象將在2013年有所改觀，眾多關(guān)鍵性趨勢預(yù)期將推動該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超聲影像；軟件；GPU 3D/4D

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.4.004

隨著臨床醫(yī)師需求的增長、多年臨床證據(jù)的積累以及硬件升級需求/進(jìn)步的提升，3D/4D技術(shù)將無疑會在2013年獲得長足發(fā)展，成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，幫助實現(xiàn)更為準(zhǔn)確、有效的實時診斷。

內(nèi)科醫(yī)師需要超聲影像提供更確切的信息，而3D/4D超聲影像能夠發(fā)揮這一重要作用，因為2D檢查可能無法獲得較為完整的解剖數(shù)據(jù)，而3D/4D超聲影像則降低了這一風(fēng)險。通過3D技術(shù)僅需一次掃描即可為多種臨床應(yīng)用提供完整的解剖數(shù)據(jù)。隨著臨床證據(jù)逐步證明3D/4D技術(shù)的質(zhì)量可靠，臨床醫(yī)師將更加有可能采用該技術(shù)。

摩爾定律

十年前，標(biāo)準(zhǔn)影像設(shè)備無法支持軟件的最新發(fā)展。基于復(fù)雜算法的新影像技術(shù)不得不與所依賴的硬件的發(fā)展同步。由于從2002年起標(biāo)準(zhǔn)硬件的巨大進(jìn)步，許多影像設(shè)備僅需更換軟件即可升級。有鑒于此，許多醫(yī)療設(shè)備制造商無需大量的投資或繁瑣的硬件升級安裝，即可利用最新的影像進(jìn)步成果，并且可以與獨立開發(fā)商合作改造現(xiàn)有工具。

摩爾定律以英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·E·摩爾命名，其內(nèi)容為每隔18個月左右集成電路的處理能力將提升一倍。根據(jù)目前維基百科中摩爾定律的條目，“摩爾定律描述了20世紀(jì)后期和21世紀(jì)初期的技術(shù)和社會變革的推動力。”例如，多核GPU和其他強(qiáng)大硬件的激增。該特定進(jìn)步實現(xiàn)了以前無法實現(xiàn)的大量圖像處理操作，開創(chuàng)了醫(yī)療圖像處理的新紀(jì)元。與我們曾經(jīng)認(rèn)為最先進(jìn)的2D濾波相比，現(xiàn)在的3D超聲圖像容量的實時自適應(yīng)濾波將提供更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。通過先進(jìn)的3D渲染軟件，臨床醫(yī)師可以生成父母喜歡的“娃娃臉”圖像，揭開了醫(yī)療影像史和家庭相冊的新篇章。

由于二維技術(shù)到目前為止已經(jīng)非常成功，放射線學(xué)者總體上滿足于2D超聲技術(shù)，此外他們不確定應(yīng)用3D/4D技術(shù)是否利大于弊。目前，3D技術(shù)已經(jīng)可以用于日常實驗，真正的風(fēng)險則是臨床醫(yī)師在使用2D技術(shù)可能會遺漏某些信息。托馬斯杰弗遜大學(xué)的Goldberg、Forsberg和Lev-Toaff等人的研究表明3D采集以及3D圖像增強(qiáng)已經(jīng)在統(tǒng)計學(xué)上取得了顯著進(jìn)步。

3D/4D技術(shù)可以更清晰地顯示器官和病灶的大小、位置、形狀和形態(tài)，勾勒出它們的輪廓，從而改善診斷和治療。Benacerraf博士談到：“立體超聲包含所有可用的信息，我們可以顯示任何平面中的圖像。”配合自適應(yīng)3D圖像增強(qiáng)，我們可以進(jìn)一步增強(qiáng)立體超聲中的信息。3D超聲的識別、定位和立體定量提高了診斷質(zhì)量和測量精度，這是2D超聲望塵莫及的。正如Benacerraf博士所說：“在探索信息顯示途徑的道路上，我們才剛剛起步。”

通過3D超聲影像，可以看到器官和深層嵌入結(jié)構(gòu)的真正位置和方向。顯著的臨床收益使臨床醫(yī)師能夠更快地獲取更準(zhǔn)確的信息。Tutschek教授談到：“立體3D技術(shù)可以實現(xiàn)理想的檢查環(huán)境，實現(xiàn)每個點在兩個或三個正交平面中的相互關(guān)系的分析和研究。”

大部分放射學(xué)醫(yī)師已經(jīng)接受過2D技術(shù)培訓(xùn)，并且由于過去缺乏3D/4D的臨床證據(jù)，這使臨床醫(yī)師產(chǎn)生偏見，導(dǎo)致對技術(shù)改進(jìn)的需求較低。但是，通過3D采集，通過一次掃描能夠獲得整個解剖數(shù)據(jù)，且能滿足大多數(shù)的臨床應(yīng)用。從而幫助實現(xiàn)更快速的診斷，激發(fā)了應(yīng)用的需求。

Benacerraf博士展示了快速采集足以重建三個正交平面，并顯示每個所需方向的體腔。3此外，3D掃描也可以訪問與探頭垂直的C平面：而2D掃描技術(shù)則無法實現(xiàn)。正如Tutschek教授所述：“可以在矢狀面內(nèi)的重建平面中看到小腦蚓部。”2selbing教授同時指出：“只需提供3D掃描技術(shù)的基本培訓(xùn)，經(jīng)驗較少的放射線技師也能有效地獲取準(zhǔn)確的解剖立體結(jié)構(gòu)。”

硬件升級

圖形處理器（GPU）不僅越來越多地應(yīng)用于電子游戲業(yè)，而且還可以取代CPU或與CPU協(xié)作進(jìn)行通用計算。隨著GPU技術(shù)的快速發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)程序設(shè)計語言的涌現(xiàn)，可以充分發(fā)揮3D/4D采集和3D圖像增強(qiáng)軟件的潛力。

功能強(qiáng)大且廉價的硬件的快速發(fā)展以及臨床醫(yī)師日益增加的需求將成為OEM廠商投資強(qiáng)大3D技術(shù)的強(qiáng)勁驅(qū)動因素。OEM廠商可以輕松地升級到3D/4D超聲探頭，使其與3D/4D超聲影像軟件配套。

通過與合適的軟件相結(jié)合，目前的軟件可以高性價比地提供先進(jìn)功能，而此前獲取這些功能需要購置昂貴的專用硬件。例如，超聲掃描轉(zhuǎn)換最初是完全通過硬件完成的過程。現(xiàn)在這一過程可以通過先進(jìn)的圖像處理軟件完成。

婦產(chǎn)科學(xué)是3D/4D技術(shù)最擅長的臨床應(yīng)用，可以帶來最可靠的臨床效益。但是，其他臨床應(yīng)用，如普通放射科和泌尿科的診斷，對3D采集的需求也日益增加，因此3D技術(shù)的應(yīng)用也隨之增長。只要臨床醫(yī)師的需求保持增長，OEM廠商將必須投資能夠支持3D/4D影像的硬件。

軟件將在醫(yī)療影像新進(jìn)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用的4個原因

當(dāng)代家庭使用照片和視圖交流的方式足以讓我們的祖父輩感到驚奇。我們當(dāng)中的許多人都使用手機(jī)采集和分享高分辨率視頻，記錄下幾乎每一個重要時刻。通過強(qiáng)大的人臉識別軟件，我們可以選擇自動標(biāo)記人臉，用以組織我們的圖像文件。

十五年前，只有專業(yè)人士才能使用各種安裝有專業(yè)軟件的專業(yè)工作站來執(zhí)行復(fù)雜的圖像處理任務(wù)，而現(xiàn)在我們僅憑借口袋中的設(shè)備就可以執(zhí)行大部分任務(wù)。而這種改變了家庭照片和視頻交流方式的復(fù)雜技術(shù)也正在實現(xiàn)新的醫(yī)療影像方式。

以前，無論是x射線、超聲還是核磁共振，醫(yī)療影像技術(shù)的發(fā)展主要由設(shè)備的進(jìn)步來推動。例如，二十世紀(jì)早期x射線技術(shù)的發(fā)展。從最初1904年發(fā)明的真空管，到熱電子二極管，再到1913年發(fā)明的Coolidge型x射線管，x射線管的先驅(qū)者從每次更迭中汲取經(jīng)驗，測試不同的管徑和溫度，直到發(fā)現(xiàn)最佳組合。Coolidge管這種形式一直沿用至今。

強(qiáng)大而低廉的標(biāo)準(zhǔn)硬件與專用軟件組合將成為本世紀(jì)的主導(dǎo)發(fā)展力量。這一變化主要歸因于四大驅(qū)動因素。

1 指數(shù)型硬件增長：由于來自消費電子產(chǎn)品（例如游戲行業(yè)和移動通信行業(yè)）的壓力，硬件處理速度呈指數(shù)型增長。圖形處理單元（或GPU）不僅用于游戲行業(yè)，同時正日益取代CPU或與其協(xié)作用于通用計算。GPU技術(shù)的迅猛發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)編程語言的涌現(xiàn)使我們更有機(jī)會充分利用軟件進(jìn)步。現(xiàn)在人們能夠以史無前例的速度處理大量的圖像。通過硬件和軟件的適當(dāng)組合，可以實現(xiàn)某些應(yīng)用所必須的實時處理能力。

2 使用軟件取代昂貴的硬件并降低成本：通過與合適的硬件結(jié)合時，目前的軟件可以提供高性價比地先進(jìn)功能，而此前獲取這些功能需要購置昂貴的專用硬件。例如，超聲掃描轉(zhuǎn)換最初是由硬件完成的過程。現(xiàn)在這一過程可以通過先進(jìn)的圖像處理軟件完成。此外，軟件可以在無需患者在場的情況下操作圖像，展示額外的詳細(xì)信息和病理學(xué)信息，同時最大限度提高昂貴設(shè)備的生產(chǎn)力。

3 超聲技術(shù)的興起：鑒于超聲技術(shù)的低成本、機(jī)動性和非電離特性，目前執(zhí)業(yè)醫(yī)師將超聲技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床檢查，而10年前，這些臨床檢查所涉及的程序非常繁瑣，而且可能需要大劑量照射。雖然設(shè)備進(jìn)步促進(jìn)了超聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用，但圖像增強(qiáng)軟件的進(jìn)步提高了診斷能力。高級圖像處理軟件最初是為了降低核磁共振影像的噪聲而開發(fā)的，現(xiàn)在通過降噪和器官邊緣銳化使超聲影像發(fā)生了革命性的變化，推動超聲技術(shù)成為主要診斷工具。利益相關(guān)者將繼續(xù)推動這一影像技術(shù)向前發(fā)展。

4 個性化定制需求：不同醫(yī)院和地區(qū)的臨床醫(yī)師通常在圖像采集和分析方面擁有特定偏好。一些個人或群體喜歡柔化邊緣，而其他用戶認(rèn)為消除斑點是最重要的圖像增強(qiáng)任務(wù)。隨著成功的設(shè)備制造商為大量的醫(yī)療中心和醫(yī)院提供設(shè)備，他們必須具備對設(shè)備進(jìn)行定制能力，才能在全球取得成功。制造商可以通過軟件，并根據(jù)最終用戶的偏好來定制設(shè)備，即提高了銷量又最大程度地提高了每個產(chǎn)品的投資回報率。最終，這種定制將實現(xiàn)更高的診斷價值。