三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析

生物医学工程学杂志

J Biomed Eng

　1998∶15(3)∶311～316

三维超声成像的发展现状及若干关键技术分析

郝晓辉　高上凯　高小榕　综述　杨福生　审校

(清华大学电机系,北京100084)

内容提要　介绍三维超声成像的意义,不同的实现方案,并详细剖析了三维超声成像中遇到的图像定位、三维准确重构、不规则采样平面处理以及三维超声图像的分割问题。讨论了现有的发展水平及未来的发展方向。

关键词　三维超声成像 分割 准确重构

Development Condition of Three Dimensional Ultrasonic

Imaging and Analysis of Some Key Technologies

Hao Xiaohui　Gao Shangkai　Gao Xiaorong　Yang Fusheng

(Depar tment of Electr ical Engine ering,Ts inghua Uni ver sity,Beij ing　100084)

Abstract　This paper introduces the value of three-dimensional ultrasonic imaging and it′s different realizing ap-proaches.It deliberately analyzes the key techniques used in three-dimensional ultrasonic imaging.These techniques include registration of two-dimensional i mages,accurate reconstruction of three-dimens ional volume,projection of ir-regularly sampled plane and segmentation of three-dimensional image.The development status and future trend are al-so given in this paper.

Key words　Three dimensional ultrasonic imaging Segmentation Accurate reconstruction

1　三维超声成像概述

1.1　回顾

三维超声成像的概念最初由Baun和Gree-wood[1]在1961年提出。他们在采集一系列平行的人体器官二维超声截面的基础上,用叠加的方式得到了器官的三维图像。在这之后,很多人进行了这方面的研究工作,试验了各种方法。诸如Dekker[2]在1974年采用的机械臂方法,1976年Moritz提出的回声定位方法,1979年首次被Raab应用的电磁定位方法[2],以及Duke大学Vonn Ra mm[7]等人研制的二维面阵探头体积射束方法等等。这些方法都着眼于获取进行三维重建的超声体积数据。成像方面, Dekker在1974年完成了首例心脏三维重建。1986年,Martin利用经食道超声探头(IEE)获得了静态的三维图像。1990年,Wollschlge用回拉式IEE探头重建了动态心脏三维超声图像。胎儿三维形体的重构[3]与血管的三维超声成也有许多人在研究,并取得了不少成果。

1.2　临床价值和意义

传统的B型超声成像系统所提供的是人体某一断面的二维图像,医生必须根据自己的经验对多幅二维图像在大脑中进行合成以理解其三维解剖结构。这一过程需要长时间的训练和相当的熟练程度,对医生提出了很高的要求,

也使某些方面的诊断有一定的局限性。与传统的二维超声成像相比,三维超声成像具有以下明显的优势:

(1)图像显示直观。医生可以在屏幕上直观地看到脏器的解剖结构,这对临床提供疾病的准确诊断有重要意义。

(2)在医学教学和手术规划方面有广泛的应用。通过人-机交互的方式,人们可以从不同的角度观察脏器的解剖结构与疾病状况,并在计算机上研究手术规划,完成模拟手术等。同时,三维超声成像也为医学教学提供了极好的手段和方法。

(3)可以进行医学诊断参数的精确测量。很多医学参数,诸如心室容积[4]

、心内膜面积等的测量只有在三维条件下才能获得准确的定量结果。

(4)可以缩短医生诊断需要的时间。二维诊断中,医生需要长时间检查人体器官以便在大脑中形成病变器官的三维形态。三维检查只需短短几分钟就可采集到足够的数据,重构出很好的病变器官的三维形态。大大减少了诊断所需要的时间。

由于以上原因,超声三维成像一直是用户与开发部门关注的焦点。与其它形式的三维医学成像系统相比,超声成像至今尚未取得突破性进展。尽管如此,由于超声成像具有无创、无电离辐射等明显优势,超声三维成像必将成为今后医学成像系统研究最重要的课题之一。1.3　不同的实现方案

目前,有两种获取三维超声图像的方法。最常见的一种是利用现有的二维超声诊断设备结合某种定位机械获取一系列空间位置已知的二维组织超声图像,进而以离线方式重建三维物体。另一种是利用二维面阵探头[5]发射金字塔形体积超声束从而获得实时的三维空间数据。

一般来说,基于二维图像重组的三维成像

过程主要包括四个步骤:原始图像获取;三维重

构;三维图像分割与理解;图像三维显示[1]。所谓离线,是指图像获取与图像后处理是分开进行的。图像获取有两种方法。一种是随机采样法:需要采集的图像位置和数量由医生现场决定。这种方法造成采样平面在空间的不规则排列,不仅影响了重构图像的分辨率,而且体积重

构所需计算量很大,影响了重建的速度。一种是预先确定法:事先规划好采集路线和采样密度,并由确定的定位机构予以保证。

具体采集过程中,关键的问题在于每幅二维图像的空间定位。这方面的研究很多,发展了各种各样的算法,将在下一部分予以详述。

图像分割与理解是三维显示和测量的前提。由于超声图像固有的Speckle 噪声问题及超声图像的模糊特性,超声图像的分割一直是一个极为困难的课题。

对超声三维图像,有两种显示需求

[6,2,3]

。一种是提供组织器官任意二维切面的灰度显示[7]

;一种是提供三维的体积或表面显示[2]

。

具体实现的研究尚在进行中。

图1　二维面阵探头工作示意图

Fig 1　Schmatic diagram showing a 2D array transducer

used in the 3D ultrasound system

另一种方案是基于二维面探头的实现方案[6]。二维面阵探头可以发射金字塔形体积声束对物体进行探测,获得实时的三维图像。如图1所示。这也许是解决三维超声成像最终的

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