三维超声成像技术的基本原理及操作步骤

三维超声成像技术的基本原理及操作步骤 230031 安徽合肥 解放军 105医院 罗福成

1 基本原理 三维超声成像分为静态三维成像 (static three 2 dimensional imaging 和 动 态 三 维 成 像 (dynamic three 2dimensional imaging , 动态三维成像由于参考 时间因素 (心动周期 , 用整体显像法重建感兴趣区 域准实时活动的三维图像 , 则又称之为四维超声心 动图 。 静态与动态三维超声成像重建的原理基本相 同 。

111 立体几何构成法 该法将人体脏器假设为多 个不同形态的几何体组合 , 需要大量的几何原型 , 因 而对于描述人体复杂结构的三维形态并不完全适 合 , 现已很少应用 。

112 表面轮廓提取法 是将三维超声空间中一系 列坐标点相互连接 , 形成若干简单直线来描述脏器 的轮廓的方法 , 曾用于心脏表面的三维重建 。该技 术所需计算机内存少 , 运动速度较快 。缺点是 :(1 需人工对脏器的组织结构勾边 , 既费时又受操作者 主观因素的影响 ; (2 只能重建比较大的心脏结构 (如左 、 右心腔 , 不能对心瓣膜和腱索等细小结构进 行三维重建 ; (3 不具灰阶特征 , 难以显示解剖细节 , 故未被临床采用 。

113 体元模型法 (votel mode 是目前最为理想的 动态三维超声成像技术 , 可对结构的所有组织信息 进行重建 。 在体元模型法中 , 三维物体被划分成依 次排列的小立方体 , 一个小立方体就是一个体元 。 任一体元 (v 可用中心坐标 (x ,y ,z 确定 , 这里 x ,y , z 分别被假定为区间中的整数 。二维图像中最小单 元为像素 , 三维图像中则为体素或体元 , 体元素可以 认为是像素在三维空间的延伸 。与平面概念不同 , 体元素空间模型表示的是容积概念 , 与每个体元相 对应的数 V (v 叫做 “ 体元值” 或 “ 体元容积” , 一定数 目的体元按相应的空间位置排列即可构成三维立体 图像 。 描述一个复杂的人体结构所需体元数目很 大 , 而体元数目的多少 (即体元素空间分辨率 决定 模型 的 复 杂 程 度 。目 前 , 国 内 外 大 多 数 使 用 Tom Tec Eeno view computer -work station 来进行 体元模型三维成像 。 此外 , 随着高档超声仪器软件的不断开发 , 静态 三维成像不经过工作站可直接启动设备软件包三维 重建或三维电影回放来完成 。

2 操作步骤 任何三维成像的研究均需通过原始图像采集 、 图像数据后处理 、 三维图像重建 、 三维图像显示和定 量测量 。 扫描途径包括经食管 、 经胸和剑突下及腹 壁等 , 每种方法各有利弊 。

211 图像的采集 21111 机械驱动扫查 将探头固定在机械装置上 , 由计算机控制电动马达 , 带动探头做某种拟定形式 的运动 , 常见的形式有三种 :(1 平行扫查法 (Parallel scanning :即探头沿直线做均匀连续的平行位移 , 获 得一系列相互平行等距的二维切面图像 。 经食管或 血管内的超声三维重建所采用的逐步后拉式采样亦 属平行扫查 。 此方法图像易失真 , 目前已基本废弃 。 (2 扇形扫描法 (fan -like scanning :扫描平面的近 场基本固定 , 远场沿 z 轴方向扇形移动 , 将采集的二 维图像做数字存储 , 建立金字塔形数据库 (Pyramid data -bank , 而后插补三维像素 (voxel , 再根据需 要任意切割 , 显示所欲观察的三维图像 。此发现主 要用于检查静态脏器 , 有的厂家将换能器封闭于特 制的盒套内 , 操作比较方便 。 (3 旋转扫描法 (rotat 2 ing scanning :目前被广泛接受 , 能较理想地进行三 维成像采集 。 以二维切面图像中声束方向的中心平 分线为轴 , 使探头做 180°旋转 , 获得围绕轴线 360°范围内一系列相互均匀成角 , 且中心平分线相互重 叠的二维切面图像 , 适用于心脏 、 前列腺 、 膀胱等 。 经食管的多平面探头或环形相控阵探头三维成像采 样过程亦属此类 。

由于机械驱动扫查中 , 探头具有规定的逻辑运 动轨迹 , 因此 , 计算机对所获得的每一图像进行空间 定位 、 数据处理及三维成像时速度快 , 图像重建准确 可靠 。 缺点是采样过程繁琐 、 机械驱动支架体积大 且沉重 、 与各类探头不易配接 、 扫查时有机械噪音 、 ・ 3

2 4 ・ ( 扫查方式固定 、 取样角度不易确定 、 扫查范围和时间 受限 。 因而三维超声成像的推广迫切急需方便 、 灵 活的采集方法 。

21112 磁场空间定位自由臂扫查 (free 2hand scan 2 ning , 以下简称自由扫查 自由扫查技术主要依靠 一套探头空间定位系统 , 由电磁场发生器 、 空间位置 感测器 (或接收器 和微处理器三部分组成 。 由微处 理器控制的电磁场发生器向空间发射电磁场 , 空间 位置感测器被固定在探头上 , 操作者如同常规超声 检查一样 , 手持带有空间位置感测器的探头进行随 意扫查时 , 计算机即可感知探头在三维空间内的运 动轨迹 , 从而确定所获得的每帧二维图像的空间坐 标 (x ,y ,z 及图像方位 (α, β, γ , 带有空间坐标信息 和方位信息 6个自由度参数的数字化图像被储存在 计算机中 , 即可对所扫查结构进行三维重建 。 实践证明 , 使用自由扫查技术时 , 可在任何方向 上随意移动探头 , 根据需要设置扫查时和调整范围 并无死角 , 适用于做一次性较大范围复合扫查 , 如对 肝脏一次性整体成像 。 该系统可与任何探头方便配 接 , 体积小 , 重量轻 , 扫查方式灵活 , 操作方便 , 且重 建准确可靠 , 因而成为近年三维超声成像研究的热 点 。 此方法仅用于静态三维重建 , 用彩色多普勒能 量图进行三维重建时 , 如有余辉滞留 , 应关闭余辉功 能 , 以免血管结构三维图像变形 , 如无法关闭余辉功 能 , 应平稳缓慢扫查取样 。

21113 “ 一体化探头” 方案 将超声探头和摆动机 构封装在一起 , 操作者只要将此一体化探头指向所 需探测部位 , 系统就能自动采集三维数据 。

21114 三维电子相控阵方法 目前 , 已开发出 128×128阵元的超声模块及相应的电子学系统 , 并成 功获得了实时三维超声图像 。后二种方法使用方 便 , 不用移动探头即可获得三维数据 , 并能即刻或实 时显像 , 但该类探头可能单次扫查范围有限 , 不适合 做一次性大范围复合形式的扫查采样 , 如对较大脏 器 (如肝脏 或病 变的一次性整体扫描成像则受到限 制 。 对大血管及其血流既可做静态三维成像 , 亦可 做动态三维成像 , 后者必须采用机械驱动扫查方式 , 并使用心电触发功能 , 对实质性脏器内血管及血流 一般采用静态三维成像 。 血管三维超声重建时采用 的图像有两大类 :(1 组织灰阶信息用于大血管组织 结构的三维重建 ; (2 血流的彩色多普勒显像或多普 勒能量图信息用于血管内血流的三维重建 。 常规彩色多普勒血流成像 (CDFI 能区别血流 方向 、 速度及时相 , 可对较大血管内血流进行动态三 维重建 。 彩色多普勒能量图 (color Doppler energy , CDE 显示血流敏感性高 , 能显示细小终末血管的低 速血流 , 并能较好地显示迂曲血管内血流的连续性 , 因此 ,CDE 更适用于实质性脏器内小血管的动态三 维重建 。 使用 CDFI 或 CDE 时应轻度抑制二维灰 阶图像的增益 , 三维重建时更能突出显示血管及血 流 。 因二维图像是三维重建的基础 , 故二维图像的 好坏关系到三维重建的质量 。所以 , 图像采集过程 中应注意 :(1 避免呼吸与体位移动造成的影响 ; (2 根据采样部位大小和体表特征确定扫查采样方式 ; (3 采集图像时应去掉无关信息 , 以减少体元素空间 的体元数目 , 缩短图像储存 、 处理和重建的时间 。 21115 动态三维彩色多普勒成像 能显示血流动 态 、 方向 、 速度及形态 , 在观察心内血流 (包括分流与 反流 的位置 、 时相 、 轮廓 、 范围 、 周径 、 行程 、 长度等 方面能发挥更大的作用 。如对血流束进行垂直切 割 , 可以正确了解缺损 、 瓣口关闭不全及狭窄处血流 束的横断面的大小与剖面形态等 。 这种新的动态三 维彩色多普勒血流成像技术具有很大发展潜力 , 一 旦推广应用 , 将发挥更大的效能 。

21116 实时动态三维成像 美国 Duck 大学生物 医学工程系最近研究成功一种能进行容积测定实时 成像 (red 2time volumetric imaging 的二维阵列换能 器 (two 2dimensional array transducer 。其外形与一 般的相控阵探头相类似 , 但换能器的晶体片呈矩阵 形 (matrix 排列 , 被纵向 、 横向多线场均匀切割 , 形 成众多的微型正方形小格 。用于体表探查时 , 微小 的多达 40×40=1600、 60×60=3600或 80×80= 6400个晶片 , 探头发射声束时按相控阵方式沿 y 轴 进行方位转向 , 形成二维图像 , 后者在沿 z 轴方向扇 形移 动 进 行 立 体 仰 角 转 向 , 形 成 金 字 塔 数 据 库 (pyramid data 2bank 。 由于仪器采用特殊的发射与 接收方法 , 扫描速度提高 60余倍 , 在一个心动周期 内 , 即可完整地采集某一心脏结构的三维数据资料 , 从而真正