三维超声图像的获取方法研究

三维超声图像的获取方法研究

发表时间：2013-01-17T10:59:13.343Z 来源：《医药前沿》2012年第26期供稿作者：陆屹

[导读] 近年来三维超声图像获取的途径集中在以下四种方法：机械扫描、自由臂扫查法、三维探头法、三维电子相控阵方法。

陆屹（无锡市第八人民医院江苏无锡 214000）

【摘要】近年来三维超声图像获取的途径集中在以下四种方法：机械扫描、自由臂扫查法、三维探头法、三维电子相控阵方法。其中，前两种方法是由传统二维超声改进而形成的。

【关键词】三维超声成像虚拟仪器图像处理

【中图分类号】R445.1 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2012）26-0115-01

1、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，如图1所示：

图1机械驱动扫查方法

（a）线性扫查法；（b）扇形扫查法；（c）旋转扫查法

①线性扫查法（Linear scanning）即探头装在一机械支架的平移机构上，通过电机带动其沿平行于病人皮肤表面并与图像垂直的直线轨迹移动，获得一系列该器官相互平行等间距的二维切平面图像。已进入商品化的三维超声成像系统如Kretz公司的COMBISON 530即采用此种扫描方式。该产品在一个特制的3D探头内安装有机械扇扫装置，可在两个垂直的方向上做扫描。工作时超声换能器沿x，y两个方向做均匀扫描，各采集一系列二维图像。而后根据两个主向的图像重组三维数据。该系统所得到的三维图像分率较低。线性扫描的方法在母体胎儿三维超声成像系统和经食道后拉式超声CT系统中得到了较为成功的应用。

②扇形扫查法（Fan scanning）探头固定于某一位置，由机械驱动呈扇形运动获取图像，其扫查间隔角度可调。扫描平面的近场基本固定，远场作扇形移动，将采集的二维图像作数字存储，建立金字塔形数据库（Pyram data bank），再根据需要任意切割，显示所欲观察的三维图像。这种扫描方式会产生近端过采样和远端欠采样现象，可以通过插补三维像素（voxel）或减少摆动角度间隔来弥补。此方法主要用于检查静态脏器，有的生产厂家将换能器封闭于特点的盒套内，操作比较方便。

③旋转扫查法（Rotation scanning）目前被广泛接受，能较理想地进行三维成像采集。将探头固定于某一透声窗，以切平面图像中声束方向的中心平分线为轴，使探头作180°旋转，获得围绕轴线360°范围内一系列旋转角间隔相等，且中心平分线互相重叠的二维切面图像，适用于心脏、前列腺、膀胱等。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、扫查方式固定、取样角度不易确定、扫查范围和时间受限制等。

2、自由臂扫查法（Free hand scanning）虽然机械定位系统具有较高的定位精度和重建速度，但是一个不容回避的问题是复杂的机械装置，特别是在大器官检查的时候，就显得不方便。为了克服这一不足，研究人员设计了多种位置跟踪系统，即在医生手持B超探头做检查时，系统能够随时跟踪探头的位置和方向。这样的系统可以让医生根据需要自由地选择扫查的方向，并能在移动探头的过程中自动适应体表形状的变化。这就是所谓的“Free-hand系统”。该系统要求位置探测器有足够高的精度和足够快的数据采集速度，以便记录探头每一时刻的空间姿态。

曾经开发以及正在研究的Free-hand系统包括，声传感器系统、多关节机械定位系统和电磁式定位系统，如图2所示。

图2 自由臂扫查法中的三种定位方法示意图

（a）声学定位；（b）机械定位；（c）电磁定位

①声学定位，即声音控制探头的方法，把3个发声器件固定在探头上[40, 41]，一组微音器固定在病人的上方。操作人员使探头在探测部位不断移动，同时让发声器件工作，通过测量声传播过程中不同的时间延迟就可以推算出探头的空间位置。此类装置的传感器体积较大，声束易被遮挡，不具备实用价值。

②机械定位，即自由活动机械臂定位器，是把超声探头装在一个有多个活动关节的机械臂上，它使操作者可以完成许多复杂的操作动作，从而选择一个需要的角度和方位。具体方法是把电位器装在活动机械臂的关节处[42]，关节的任何运动将引起电位器的运动，只要记录了电位器的运动情况，超声探头的运动也就完全得到检测和控制[43]。然而，探头定位精度与其活动范围大小成反比，限制了扫查体积。且机械臂制造复杂，价格高昂。

③电磁定位，即电磁式位置传感器定位系统，是近年来成功开发的Free-hand系统。它是基于6个自由度的。电磁式位置传感器由发射器、接收器及相应的电子装置构成。发射器产生空间变化的电磁场，接收器内有3个正交的线圈用于感受所在位置的电磁场的强度。只要将接收器固定在超声探头上，就可以实现对探头位置和方向的跟踪。由于这套系统具有体积小、使用方便等突出优点，成为近几年来超声三维成像研究的热点。电磁式定位系统的缺点是对噪声和误差比较敏感。电磁干扰(如CRT监视器等)、使用环境中的铁磁材料都可以使测量的

磁场发生畸变而引起定位误差。

④不用位置传感器的Free-hand系统。一种实现方法是要求操作人员均匀、平稳地移动探头，根据移动的距离和花费的时间来估计出二维平面的间隔，然后再重建出三维图像。很显然，这种方法可以大致地表达人体内部的结构，但是不能用来做准确的测量。更精确的做法是通过二维图像中斑点模式和图像特征的相关分析，来跟踪探头的移动。这种做法显然比完全凭经验的操作更有科学依据。

Free-hand系统虽然操作比较方便，但是由于缺少约束，操作人员在采集数据时要特别小心，不能在两个相邻的平面间留下太大的缝隙，否则将不能保证重建图像的质量。

3、三维电子相控阵方法前面介绍的3D成像方法实际都是用传统的探头配以手动或电动的2D扫描，第三维是靠机械方法或手动方法实现的。而通过使用二维面阵，探头能够保持静止，扫查过程中电子扫查机构能够驱动超声束覆盖宽阔的范围。尽管已出现许多2D阵列，但最先进的阵列是由杜克大学开发的，用作实时3D心动检查并能够做临床成像[44～48]。

通过这个方法，一个2D相控换能器单元阵列能够发出由阵列分叉的宽超声束，扫描如同截断的金字塔，如图3所示。回波能够由2D阵列接受并处理，以实时的方式显示成由多平面组成的空间。在研究过程中，用户可以交互地操作这些平面，观察整个空间。尽管这一方法已经成功地运用于心动检查中，但在广泛运用于放射检查中还需要解决一些问题。这些问题包括：需要由许多导线适当的连接，来控制阵列中大量的小单元；以及2D超声阵列较高的成本，导致此种方式较低的生产收益。

图3三维电子相控阵列示意图

4、实时动态三维成像美国Duck大学生物医学工程系研究成功一种能够进行容积测定实时成像(real-time volumetric imaging) 的二维阵列换能器( two-dimensional 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，有多达40×40=1600、60×60=3600或80×80=6400个微小的晶片进行扫描。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。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，从而真正实现动态三维成像，由于成像速度快，在未来的心脏疾患以及动态脏器(包括胎心和各个部位大小血管)检查中可能会发挥更大作用。

参考文献

[1]徐跃，梁碧玲. 医学影像设备学. 北京：人民卫生出版社, 2000.11

[2]冯若. 超声诊断设备原理与设计. 北京：中国医药科技出版社，1993.