三维超声成像的方法学Point-演示文稿

三维超声成像的方法学徐辉雄吕明德•徐辉雄先生，中山大学附属第一医院超声科副教授、硕士研究生导师；吕明德先生，教授、博士研究生导师。

2005年8月•三维超声成像是超声医学发展的重要方向之一，其方法学一般包括三维图像数据的采集、数据的处理、容积数据库的建立、三维图像的显示等步骤。

其中三维图像数据的采集是最基本的步骤，而三维图像的显示则是最终步骤。

三维图像数据的采集•三维图像数据的采集，就是要获得所感兴趣结构整个容积范围内的全部回声信息，即要获得感兴趣区一系列断面的信息。

•图像采集过程中最重要的两点是：•超声图像定位的易行性及数据采集的速度。

焦点问题则是如何将探头的方位信息与二维图像的灰阶或血流信息有机地整合在一起。

•因此，三维图像数据采集方法的特点是：一是采集一系列距离和角度相等的二维图像；••二是采集到的系列二维图像要包括整个感兴趣区，而不能有图像的缺失或遗漏。

不同的图像采集方法，实际上是利用了不同的方法来定位某一帧断面图像在容积数据库中的具体位置。

•维超声实际上是由一系列的二维图像经过处理形成的，而图像的采集又可以从任意角度进行，那么图像间的相对位置及角度就需要被精确地记录下来以避免产生伪像。

此外，为避免由于呼吸、心跳、患者的移动等因素造成的伪像，图像采集过程应非常迅速并有合适的门控手段。

•目前大多数图像采集方法类似于常规二维超声，即采集一系列相互分立的二维图像，形成一个三维数据库，通过某种计算方法来得到三维图像。

这就需要一个定位系统能准确地反映每一帧二维图像在三维容积中的准确位置，一般要求其距离分辨力达到0.5c m，角度分辨力达到0.5度。

常用的定位装置有步进马达（可为平行、旋转或扇形扫查的方式）或为某种传感装置(感受电磁场、声或光信号)。

随着高频超声的应用，对定位系统的精度要求也越来越高，这样才能获得高质量的三维图像。

此外，也有一些学者采用其它方法获取图像。

•图像采集过程中，已采集到的超声图像及其位置信号即刻存贮于计算机中，经处理后形成容积数据库。

根据采集方式的不同，采集到的二维图像可排列为扇形、平行、或围绕某一轴心排列，也可为任意形状( 如自由臂扫查时)。

尽管最终都可形成容积数据库，但为减少后处理时间和避免伪像，一般仍要求图像间的距离和角度有规律可循。

常用的图像采集方法有4种• 1.一体化的位置感受器及探头阵列(In tegrated Pos i t i on Sensor and TransducerArrays)•即我们常说的一体化三维容积探头(In tegrated Volum e Transducer)，或简称为容积探头。

这种采集方法是将位置感受装置与二维探头整合在一起并密封形成三维容积探头，如Voluson 530D、Voluson 730等的探头(图1)•这类探头通常体积较大，稍显笨重。

探头前端为一较软的透声材料，其内包裹一个二维探头在步进马达或特殊的伺服系统的作用下做扇形或旋转扫查。

在密封的腔内还充填以透声的类似耦合剂的物质。

这种探头的好处在于可以避免用其它外设位置感受器时需要的复杂的系统校正过程，同时每帧图像间的位置和角度比较确定，不易出现变形，因此消除了定位不准所致的伪像•此外，这种采集装置通常与整个超声仪整合在一起，因此图像数据采集完后即刻可形成容积数据库，中间无需复杂的投射和处理过程，而直接过渡到三维图像的重建和显示，因此成像时间较短。

•基于以上优点，此类采集装置目前应用最为广泛。

但该方法也存在缺点，主要是观察的视角较小，对一些较大的器官如肝脏的成像需从不同的角度采集多个容积数据库后方能获得完整印象。

另外，容积探头扫查方法须配备专门的三维超声成像仪。

2.机械驱动扫查(Mechanical lyDr iven Scanning)•将传统的二维探头固定于一外设的机械臂装置上，由计算机控制步进马达，驱动探头以特定的形式有规律地运动。

常见形式有3种(图2)：a.平行扫查法(Para l l elScanning)•或称为线性扫查(L inear Scan-n ing)。

探头由电动步进马达驱动以预定的速度和预定的间隔运动采集图像，获得一系列相互平行等距的二维断面图像。

这种方法多用于颈部、小器官的扫查，也可应用于心脏的检查，如经食管扫查时，采用探头后退的方式也可得到系列平行的二维图像。

b.旋转扫查法(Rotat i onal Scanning )•将探头固定于某一透声窗，探头围绕某一轴心旋转获取图像，获得一系列相互均匀成角且中心轴相互重合的二维断面图像。

它多用于心脏、前列腺、子宫等扫查。

在中心轴的近端，图像间的间距较小，因此分辨率较高，而在离轴较远的地方则分辨率较低。

此外，应用该方法扫查时，应保证良好的中心轴重合性，以避免产生伪像。

如在扫查过程中患者移动或探头移动，中心轴不重合，则将不可避免地产生伪像。

c.扇形扫查法(Fan Scanning) •探头固定于某一位置，以手动装置或计算机控制的电动马达驱动，做扇形运动获取图像，其扫查间隔角度可调。

可获得一系列相互均匀成角的二维断面图像。

它多用于腹部及妇产科的扫查。

因为二维图像间的角度固定，所以图像间的距离与深度相关。

在探头的近侧，图像的分辨率较高，而在远侧图像的分辨率较低，因为在远侧图像间的间距较宽。

因此，采用该方式扫查三维图像的分辨率并不均匀。

如选择较小的角度，可将这种不均匀的程度降低。

•机械驱动扫查能精确地定位二维图像间的位置关系，因此它的最大优点是定位准确、重复性高、所得到的三维图像清晰。

而且它可以与各类二维超声仪器配合使用，有利于节约医学资源。

但人体体表凸凹不平，探头附于体表时不易完全作到平行移动或扇形移动，扫查范围受限制，同时需要作校正，操作也显繁琐，因此临床应用受到一定的限制。

•3.自由臂扫查法(Free-handScanning)• a.外附于探头上的位置传感装置(Externa l ly At tached Pos i t ionSensing Dev ice)•也有人称之为追踪自由扫查法，或循迹自由扫查法(Tracked Free-hand Syste m)。

此种扫查法是将位置传感器贴附于常规二维探头上，操作者如同二维超声检查一样扫查感兴趣的解剖部位，探头扫查时传感器可感受探头的位置和空间运动轨迹。

这种采集方式的优点是操作者可以按照自己的意愿选择任意位置及角度扫查，而不必担心受到人体体表凸凹不平因素的影响。

但在采集时仍需要避免图像与图像之间的间距过大，而且必须作连续的扫查。

自由臂扫查的缺点是图像间常存在间隙，因此最终影响了三维图像的质量，特别在应用高频探头检查一些小的结构时上述表现更明显。

常用的有人工臂装置、电磁场发射/接收装置、利用麦克风的声学方法、基于二极管发光及激光寻迹的光学方法，每种方法都有其优缺点。

(1)声场定位(Acoust icPosi t i oner)•常规二维探头上贴附着三个声发射装置，相互间的位置固定。

在患者的上方(如天花板上)安装有一组麦克风组成的阵列。

检查者手持探头作自由扫查时，探头上的声发射装置被激活。

由于空气中的声速相对固定、麦克风的位置已知、声音的脉冲可以测量，所以探头的位置和角度信息能被连续地获取。

为得到准确的位置信息，患者周围的声场中不能有障碍物，而且麦克风须离探头足够近。

此外，空气中声速受温度及湿度的影响，因此使用前须作校正。

(2)人工关节臂定位(Ar t icula ted Ar mPost ioner)•探头固定在一个机械性的人工关节臂上，后者包括有多个可活动的关节。

操作者可手持探头以多种复杂的方式扫查，或选择所需要的观察角度。

在关节内安装有电位计，能记录探头运动时产生的电压变化，这些数据转化为数据信号后输入到计算机中。

通过这种方式图像的位置信息被获取，进而记录探头的空间运动轨迹。

将关节臂的臂缩短可提高精度，但却是以牺牲扫查的范围为代价。

(3)磁场空间定位(Elec t rom a g-net icPosi t ioner)•目前应用最为广泛的自由臂技术，该技术在To m Tec三维成像系统中有较好的体现。

它是利用电磁场遥控装置的方法来确定探头的位置与角度，因此称为磁场空间定位自由扫查。

由电磁场发生器，空间位置感测器(或接收器，磁传感器) 和微处理器三部分组成(图3)。

探头柄上装有小的磁传感器，大小通常为16cm3，这样就能容易地贴附在探头上，并且不影响检查者的操作。

磁传感器内有三个相互垂直的线圈，能感受六个自由度的磁场信息。

由微处理器控制的电磁场发生器产生一空间变化磁场，磁传感器可接受磁场信号并产生信号提供磁源附近磁传感器的位置和方位。

•磁传感器测量探头移动时不同方位和角度的磁场强度，测量频率为100Hz，因此能连续地记录磁场强度的变化。

操作者可如同常规超声检查一样，手持附有磁传感器的探头扫查时，计算机即可感知探头在三维空间内的运动轨迹，从而获得每帧二维图像的空间坐标及图像方位信息，这些信息被贮存于计算机之中，即可对所扫查结构进行三维重建。

该技术已应用于标准的二维探头及内腔探头，也有应用于血管内探头的报道。

•该方法操作简便，扫查范围和角度可调，适于做一次性较大范围复合形式的扫查取样。

检查时需要将磁传感器放置在病人附近的磁场范围内，在检查前须先对系统进行校正。

理论上该技术的扫查范围可无限大，但常受制于计算机的运行速度及存贮容量。

缺点是磁场周围的金属物体会导致局部电磁场扭曲而使定位不准确，而且目前仅适用于静态三维超声成像。

b.非循迹自由扫查法(Unt rackedFree-hand Syste m)•这一类的自由扫查方法无需借助任何辅助定位系统、特殊的探头或支架，利用普通的探头即可实现三维重建。

如H DI5000、H DI3000、L O GI Q7等仪器上的三维重建功能即属于此类。

该技术对操作者来说非常方便、扫查方式如同常规二维超声检查，可作扇形、平行及旋转扫查。

探头在体表作稳定、平滑的移动时，二维图像被数字化后存贮，经过处理后形成三维数据库。

但该方法的图像质量不稳定，在很大程度上取决于操作者移动探头的平滑性及稳定性，不同的操作者或同一操作者不同时间检查得到的三维图像都可能会出现较大的偏差。

也正是因为没有获得图像间的直接位置信息，应用该技术作定量的测量(径线、面积或体积测量)是不准确的，在临床上不能直接采用。

4.二维阵列换能器(Tw o- dimens iona l Transducer Arrays)•美国Duke大学最近提出一种新的三维数据采集方式，能进行容积测定实时成像(Real-t ime Volu m etr ic I m a ging)，即将晶体片按纵向、横向多线均匀切割成众多的微型矩阵型排列的二维阵列换能器(T wo-dimens i onal Ar r ay Transducer)。